间接电还原净水过程的原子氢产生与作用机制

Atomic hydrogen (H*) is an important active radical during the indirect electro-reduction water purification process. How to detect the H* and enhance its production and efficiency for pollutants removal represents a core problem for understanding the indirect electro-reduction mechanism. The difficulty lies in: how to establish an analytical method suitable for in situ detection of H*, and how to prepare a new catalytic electrode that has a low hydrogen-evolution overpotential and can produce and transmit H* effectively. For this purpose, this project aims to prepare a new functional electrode by depositing Pd, which acts as the primary catalyst, and Ag, Re, In or Pt, which acts as the auxiliary catalyst, on the graphene-doped carbon electrode by use of an electrodeposition method. And establish a suitable analytical method for detection of H* in indirect electro-reduction system. The prepared catalytic electrode will be characterized for its structure and morphology, and then used to degrade some model pollutants in aqueous solution. This study is expected to clarify the catalytic mechanism of the H* produced from indirect electro-reduction, and on this basis, further propose its relevant water purification principles.

在间接电还原净水过程中，原子氢（H*）是污染物催化还原的重要活性物种，而如何检测H*和提高H*产量及利用效率是研究间接电还原机制的核心问题。其难点是：如何建立适用于电极微界面H*表达的原位分析方法，怎样构造一种具有低析氢过电位、利于H*产生和传递的新型催化电极。为此，本项目拟以贵金属Pd为主催化剂，贵金属Ag、Re、In或Pt为辅助催化剂，将这些金属沉积在负载石墨烯的碳基材料上，制备一种可通过间接电还原高效产H*的新型功能性电极；并建立适用于间接电还原体系的H*表达方法。从结构和形态上表征产H*电极的物理化学特征，解析有特征污染物的去除途径，揭示间接电还原催化作用机制，提出基于间接电还原产H*反应过程的净水原理。

在间接电还原净水过程中，原子氢（H*）是污染物催化还原的重要活性物种。如何检测H*、研制高效电产H*催化电极以及构建适用于该电极的反应器是接电还原净水领域的核心问题。本项目采用DMPO捕获H*、ESR测定的DMPO-H方法捕获到原子H*的九重特征峰，首次实现了电化学过程产生原子H*的原位表征，获得了电产原子H*的直接证据，并利用该方法阐明了不同间接电还原电极界面H*的生成规律；研制出具有电子耦合和优异固氢特性的Pd/石墨烯复合电极和Pd/石墨烯/活性炭粒子电极等电极，与常规Pd基电极相比明显降低了其阴极电还原电位，在较低阴极电位下即可高效电催化还原溴酸盐（BrO3-）和三氯乙酸（TCAA）消毒副产物，提出了Pd与石墨烯通过电子耦合作用强化产原子H*原理；进一步开发了不含贵金属且具高脱氯活性的三维石墨烯/泡沫铜电极，该复合材料中三维石墨烯构建起良好的导电网络，从而促进传质和电子传输，有利于卤代物的电催化还原脱氯；基于Pd/rGO/活性炭粒子电极，建立了三维电极连续流反应器以及以电还原单元为核心的组合净水工艺，发现该三维电极体系主要通过原子H*间接还原作用实现BrO3-电还原去除。研究成果指导和应用于饮用水中消毒副产物（TCAA和BrO3-）的高效去除，为电还原技术的工程应用提供了基础。本项目发表SCI论文13篇，中文核心期刊论文2篇，申请2项国内发明专利；作为部分重要成果，获2016年度环境保护科学技术一等奖1项（排名第1），获得2017年度国家技术发明二等奖1项（排名第3）。