稀土掺杂改性电极涂层晶格微结构及氧物种衍变行为研究

In electrochemical oxidation degradation of refractory organic compounds contained in industrial effluents, rare earth doping has become a research hotspot to improve the performances of electrodes. However, the modification mechanism of rare earth doping has not been explicit because the information of electronic structure and interaction of elements in electrode coating are rather difficult to determine. In order to investigate the modification mechanism of rare earth doping, the micro change of lattice structure and character of electrode coating would be investigated by characterization and simulation in this research object. Through oxygen isotope tracer method, the variation of oxygen species in rare earth doped electrode coating would be revealed. The determination of hydroxyl radicals combined with bulk electrolysis of organic compounds would be carried out to clarifiy the effect of oxygen vacancies and oxygen species on the electrochemical oxidation and determine the modification mechanism for rare earth doping titanium based tin anode. Research results would enrich the theory of electrochemical oxidation of organic wastewater and provide a reliable theoretical basis for preparation of high catalytic activity electrode. The results are also meaningful for the efficient processing of refractory organic compounds contained in industrial effluents in the electrochemical oxidation wastewater treatment.

利用稀土元素掺杂提高电极催化活性，是电化学氧化处理有机废水领域的研究热点，然而由于稀土掺杂引起电极涂层内部微观变化机制难以掌握，导致稀土掺杂改性机理尚不明确。为了探明稀土元素掺杂对电极的改性机理，本课题以稀土掺杂改性钛基锡系电极为研究对象，采用模拟计算探究稀土掺杂后电极涂层内部晶格微观结构性质的变化，建立微观粒子性质与电极宏观物性的联系；利用氧同位素示踪法，揭示稀土掺杂后电极涂层内氧物种的迁移衍变过程，及其对电化学氧化作用的影响机制；最终从微观角度阐明稀土元素掺杂对钛基锡系电极的改性机理。研究成果有利于丰富稀土掺杂改性电极的相关理论，同时为高催化活性电极材料的制备奠定了可靠的理论依据，对实现生物难降解有机废水在电化学氧化体系的高效处理具有重要意义。

近年来电化学氧化技术被认为是处理生物难降解有机废水的有效途径。利用稀土元素掺杂进一步提高电极催化活性和使用寿命，是电化学氧化处理有机废水领域的研究热点，但稀土掺杂引起电极涂层内部微观变化机制难以掌握，导致稀土掺杂改性机理尚不明确。.为了从微观角度阐明稀土元素掺杂对钛基锡系电极的改性机理，本项目利用循环伏安（CV）、交流阻抗（EIS）、极化曲线（LSV）以及莫特-肖特基曲线（Mott-Schottky）等电化学测试技术，系统研究了掺杂轻稀土元素X(X=La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu)、掺杂量(Sn：Sb：X=100：10：Y，Y=0.0，1.0，1.5，2.0，2.5)对所制备的Ti/Sb-SnO2电极的氧化还原峰、反应电阻、析氧电位、活性电荷等的影响。结果表明掺杂La的改性电极性能最好。当掺杂比例为Sn：Sb：La=100：10：1.5时，电极性能最佳。.同时，利用第一性原理计算研究了稀土掺杂及其掺杂量对SnO2晶胞的能带结构、态密度、分波态密度的影响。研究结果表明，适量稀土元素的掺杂提高了电极的析氧电位和活性电荷，降低了电极的反应电阻，且电极的平带电势负移，载流子浓度进一步提升，增强了电极的催化活性。同时，稀土掺杂后SnO2晶胞能带简并化加剧，引入杂质能级，导带中的活性电子数量增多。与电化学测试结果一致，计算结果表明以稀土La掺杂效果最好，且掺杂比例Sn：Sb：La=100：10：1.5条件电极性能最优。.项目还考察了稀土掺杂Ti/Sb-SnO2电极电氧化处理苯酚废水的实际效果，以及电极产生•OH自由基数量。实验结果证明，电化学测试分析以及第一原理计算的结果与实际的电极性能表现一致：稀土元素La掺杂效果最好，且掺杂比例Sn：Sb：La=100：10：1.5条件电极性能最优，此时在电极表面产生的•OH自由基的能力最强，对苯酚降解去除率也最高达到90%，去除率是未改性的四倍多。.项目的研究成果丰富了稀土掺杂改性电极的相关理论，同时为高催化活性电极材料的制备提供了可靠的理论依据，对实现生物难降解有机废水在电化学氧化体系的高效处理具有重要意义。