Fe3O4基復(fù)合材料的制備及其對苯酚廢水的電化學(xué)降解的研究.pdf

1、在化學(xué)工業(yè)和生物制藥行業(yè)中會產(chǎn)生一種危害人體健康且很難處理的苯酚廢水。廢水中的苯酚類有機物對人體具有致癌致畸等嚴(yán)重傷害。因此，對苯酚類廢水的處理迫在眉睫。但是傳統(tǒng)的物理吸附，混凝，化學(xué)氧化和生物處理等處理方法容易造成嚴(yán)重的二次污染。近年來在處理有機廢水領(lǐng)域出現(xiàn)了一種新型技術(shù)—電化學(xué)氧化法。而其中最具有代表性的電催化氧化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于凈水領(lǐng)域。電催化氧化是一種快速高效的基于強氧化性的H2O2和·OH的技術(shù)，降解產(chǎn)物不會污染環(huán)境。電催化氧

2、化技術(shù)中關(guān)于電極的選擇是尤為關(guān)鍵的。目前，對于陽極材料的研究已經(jīng)日益成熟，但是陰極材料的種類還很單一，主要是碳材料，但使用碳材料陰極產(chǎn)生的H2O2的濃度較低。因此，迫切需要研發(fā)一種高效的陰極材料，促進雙電子氧還原反應(yīng)，源源不斷地生成H2O2和·OH來實現(xiàn)降解苯酚的目的。
　　近年來，F(xiàn)e3O4作為一種陰極材料受到了各界矚目，可以通過添加稀土氧化物或石墨烯等形成復(fù)合材料的方式來增強其催化活性。Fe3O4中的Fe3+/Fe2+氧化還原

3、對的存在可促進雙電子氧還原反應(yīng)生成H2O2，從而進一步生成·OH。本文分別采用兩種穩(wěn)定性好、催化活性高的Fe3O4-CeO2和Fe3O4-石墨烯催化劑。CeO2是研究最多且最重要的稀土氧化物，其具有高穩(wěn)定性、強氧化還原性及儲氧釋氧能力。研究表明，F(xiàn)e3O4-CeO2催化劑中Fe3O4和CeO2的成功復(fù)合，使催化劑中同時具有著Ce3+/Ce4+和Fe3+/Fe2+，具有較高的氧化還原性能。而石墨烯具有顯著的電子轉(zhuǎn)移能力，良好的穩(wěn)定性和導(dǎo)電

4、性，以及較大的比表面積。Fe3O4-石墨烯的顯著催化活性是由于石墨烯的高表面積和強導(dǎo)電性，表現(xiàn)出較強的電化學(xué)性能，更加有利于產(chǎn)生H2O2和·OH。本文采用Fe3O4-CeO2和Fe3O4-石墨烯作為催化劑，處理對象選取苯酚溶液，利用電化學(xué)氧化技術(shù)進行處理。主要研究內(nèi)容如下:
　　1.制備并表征了Fe3O4-CeO2復(fù)合催化劑，考察了不同制備條件對催化劑結(jié)構(gòu)的影響，得到的較佳制備條件為:煅燒溫度為600℃，pH為12，水浴溫度為60

5、℃，鐵鈰比為1∶1，煅燒時間為2h。Fe3O4和CeO2成功復(fù)合而并非只是簡單的機械混合。測試制備所得的Fe3O4-CeO2催化劑的氧還原(ORR)性能。當(dāng)煅燒溫度為700℃，鐵鈰物料比為1∶1，pH為11，煅燒時間為2h時，催化劑的氧還原性能較好。接著，制備了Fe3O4-CeO2催化劑電極，進行電化學(xué)降解苯酚的實驗。最終得出結(jié)論，摻雜了CeO2后的Fe3O4-CeO2催化劑催化活性大大增強，當(dāng)電解質(zhì)濃度為0.1mol/L，電流密度為5

6、0mA/cm2，pH為4時，電解產(chǎn)生的H2O2的最大濃度達到約51mgL-1，苯酚降解效率可達到93％。最后探究了電極的使用壽命和降解苯酚的機理。得出電極壽命處于優(yōu)良水平，·OH是降解反應(yīng)的主要活性物種的結(jié)論。
　　2.制備并表征了Fe3O4-石墨烯催化劑，當(dāng)石墨烯的摻雜量為60wt.％時，催化劑的結(jié)構(gòu)較好。Fe3O4納米顆粒和石墨烯片之間形成了次級孔并且Fe3O4納米粒子均勻分布在石墨烯片層上，而石墨烯作為連接的橋梁使其形成網(wǎng)絡(luò)

7、結(jié)構(gòu)。對Fe3O4-石墨烯催化劑進行ORR性能的測試。當(dāng)石墨烯負(fù)載量為60wt.％時，催化劑的氧還原性能較好。接著制備了Fe3O4-石墨烯催化劑電極進行電化學(xué)降解苯酚的實驗，最終得出結(jié)論，摻雜了石墨烯后的Fe3O4-石墨烯催化劑催化活性大大增強，當(dāng)選用0.1mol/L的電解質(zhì)溶液，30mA/cm2的電流密度，酸堿值為4時，電解產(chǎn)生的過氧化氫的最大濃度達到約55mgL-1，苯酚降解效率可達到90％。最后探究了電極的使用壽命和降解苯酚的機理