改性SbSnO电极的制备及其电催化氧化偶氮染料机理研究

1、CNT-Sb-SnO2/Ti电极制备电极制备及其电催化氧化偶氮染料及其电催化氧化偶氮染料机理研究机理研究哈尔滨理工大学硕士研究生开题报告2研究背景和意义研究背景和意义1国内外研究进展国内外研究进展2课题研究内容课题研究内容3已完成的实验已完成的实验4目录课题研究计划课题研究计划13一一研究背景及意义研究背景及意义染料染料废水废水特点特点l 色度高色度高l 浓度高浓度高l B/C比值低比值低l 含盐分多含盐分多达到目的达到目的l 降低降低COD值值l 提高提高B/C比比l 达标排放达标排放电催化氧化电催化氧化n 电催化氧化通电催化氧化通过直接降解和过直接降解和间接降解实现间接降解实现对有机污染物

2、对有机污染物的转化或降解的转化或降解4改性改性Sb-SnO2/Ti电极电极1936年年H.Beer发明发明了形稳阳极（了形稳阳极（DSA）即在金属基材沉积即在金属基材沉积几微米金属氧化物几微米金属氧化物膜膜Sb-SnO2/Ti电极电极DSA电极电极Sb-SnO2/Ti电极析电极析氧电位高，稳定性氧电位高，稳定性好，电流效率高好，电流效率高为了应用，应该对为了应用，应该对Sb-SnO2/Ti电极改电极改性，提高电催化活性，提高电催化活性，提高稳定性性，提高稳定性电催化氧化阳极材料电催化氧化阳极材料 生成固溶体中间层生成固溶体中间层二二国内外研究进展国内外研究进展u1对金属氧化物电极的改性方法对金

3、属氧化物电极的改性方法 电极导电性增强电极导电性增强固溶体中间层与基体和活固溶体中间层与基体和活性层之间结合力增强性层之间结合力增强. .图1 TiHx转换为Ti-Sb-Sn氧化物固溶体中间层的过程示意图 掺杂稀土金属元素掺杂稀土金属元素改性后比改性前更光滑且改性后比改性前更光滑且致密，因此提高电催化性致密，因此提高电催化性能和稳定性能和稳定性图 2 Sb-SnO2/Ti电极表面SEM图图3 Eu-Sb-SnO2/Ti电极表面SEM图 掺杂掺杂C素改性电极素改性电极CNT改性之后的电极表面改性之后的电极表面紧密均匀，提高稳定性。紧密均匀，提高稳定性。颗粒较小，增加了比表面颗粒较小，增加了比表面

4、积，提高电催化活性，积，提高电催化活性，图4 PbO2/Ti电极表面SEM图图5 CNT-PbO2/Ti电极表面SEM图 固溶体中固溶体中间层间层掺杂稀土掺杂稀土金属金属 优点：中间层优点：中间层增加结合力与导增加结合力与导电性电性 缺点缺点：很少提：很少提高电催化活性高电催化活性 优点：增加了优点：增加了导电性改变电极导电性改变电极表面氧化物晶型表面氧化物晶型结构结构缺点缺点：成本高，：成本高， 优点：电极优点：电极表面致密均匀，表面致密均匀，晶型尺寸小晶型尺寸小 比比表面积大，提表面积大，提高电催化活性高电催化活性与稳定性与稳定性掺杂掺杂C素素 u2电催化氧化降解有机物机理研究方法电催化氧

5、化降解有机物机理研究方法高效液相（高效液相（HPLC）色谱分析）色谱分析高效液相高效液相（HPLC）检测中间产检测中间产物物分析液相分析液相色谱图色谱图推测降推测降解机理解机理优点：方法简单优点：方法简单缺点缺点：只对于简单结构有机物可以分析出：只对于简单结构有机物可以分析出具体的降解机理，对于复杂有机物不能具具体的降解机理，对于复杂有机物不能具体分析出降解机理体分析出降解机理图6 -PbO2电极电催化氧化苯酚降解机理示意图 高效液相（高效液相（HPLC）+液相液相-质（质（LC-MS)谱分析谱分析HPLC/LC-MS检测中检测中间产物种类间产物种类HPLC+LC-MS色色谱分析谱分析推测降推

6、测降解机理解机理优点：准确分析出有机物降解途径优点：准确分析出有机物降解途径缺点缺点：只是实验推测，缺乏理论验证：只是实验推测，缺乏理论验证图7 l，4一二羟基葸醌降解机理示意图 HPLC+LC-MS谱谱+AM1分子轨道计算分析分子轨道计算分析HPLC/LC-MS检测中检测中间产物种类间产物种类HPLC+LC-MS色色谱分析谱分析推测降推测降解机理解机理优点：严密准确推测优点：严密准确推测出有机物降解机理出有机物降解机理AM1分子轨分子轨道计算验证道计算验证降解机理降解机理图8 醌蓝降解机理示意图三三研究内容研究内容电极制备及表征电极制备及表征1优化工艺条件优化工艺条件2机理研究机理研究3工程

7、应用工程应用4 三三研究内容研究内容u1制备制备CNT-Sb-SnO2/Ti电极制备及表征电极制备及表征TiTi板电极基板电极基体体SnCl4溶液溶液前驱物前驱物溶胶溶胶加氨水共沉淀加草酸络合涂抹焙烧图9 改性CNT-Sb-SnO2/Ti电极制备流程CNT-Sb-SnO2/Ti电极电极碳纳米管碳纳米管（CNT）羧化后的羧化后的CNT混酸加热回流制备制备CNT-Sb-SnO2/Ti电极的实验路线电极的实验路线 电极涂层的表征方法电极涂层的表征方法X-X-射线衍射（射线衍射（XRDXRD分析）分析）紫外可见漫反射（紫外可见漫反射（UV-VIS)UV-VIS)扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM)

8、SEM)透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM)TEM)表征电极表面组表征电极表面组成元素的价态成元素的价态表征电极氧化物表征电极氧化物涂层元素的组成涂层元素的组成表征电极物质晶相表征电极物质晶相组成及其晶型结构组成及其晶型结构表征电极材料微观表征电极材料微观结构，观察颗粒形结构，观察颗粒形貌及分散情况貌及分散情况X射线光子能谱射线光子能谱XPS紫外可见漫反射（紫外可见漫反射（UV-VIS)UV-VIS)扫描电子显微镜（扫描电子显微镜（SEM)SEM)透射电子显微镜（透射电子显微镜（TEM)TEM)能量色散谱仪能量色散谱仪 EDSX射线衍射分析仪射线衍射分析仪XRD扫描电子显微镜（扫描电子显微

9、镜（SEM)SEM)15LSV分析析氧电位推测电催化活性CV氧化峰强度以及出峰位置EIS分析反应阻抗，推测电子传输速率循环伏安曲线循环伏安曲线交流阻抗谱交流阻抗谱极化曲线极化曲线加速寿命曲线加速寿命曲线分析电极的寿命推测电极的稳定性加速寿命实验加速寿命实验 电极的电化学性能测试电极的电化学性能测试2 2优化工艺条件优化工艺条件电解质投加量电解质投加量反应时间反应时间初始初始pH值值电流密度电流密度吸光度吸光度（ = =520nm）CODTOC苋菜红作为目苋菜红作为目标污染物，结标污染物，结构简单具有代构简单具有代表性，溶于水，表性，溶于水，无毒无毒单因素分析法u3 3机理研究机理研究电解质投加

10、量电解质投加量反应时间反应时间初始初始pH值值电流密度电流密度吸光度吸光度（ = =520nm）CODTOC苋菜红作为目苋菜红作为目标污染物，结标污染物，结构简单具有代构简单具有代表性，溶于水，表性，溶于水，无毒无毒单因素分析法优化工艺条件优化工艺条件苋菜红废水降解过程的苋菜红废水降解过程的UV-Vis吸收光谱分析吸收光谱分析电化学反应电化学反应阶段阶段苋菜红苋菜红及其中间产及其中间产物的变化物的变化配制废水配制废水降解反应降解反应配制一定浓度配制一定浓度的苋菜红染料的苋菜红染料模拟废水模拟废水在最佳条件下进在最佳条件下进行电催化氧化降行电催化氧化降解苋菜红染料模解苋菜红染料模拟废水反应拟废水

11、反应分析谱图分析谱图分析分析UV-Vis吸收吸收光谱特征吸收峰光谱特征吸收峰出峰位置与出峰出峰位置与出峰强度强度UV-Vis扫描扫描检测范围控制在检测范围控制在200800nm测得测得不同反应时间紫不同反应时间紫外外-可见光谱可见光谱u3 3机理研究机理研究 液相液相/液相液相-质（质（HPLC/LC-MS）谱图分析）谱图分析HPLC进一步分析进一步分析CNT-Sb-SnO2/Ti电极上电催化氧电极上电催化氧化降解苋菜红染料废水降解途径，对不同反化降解苋菜红染料废水降解途径，对不同反应时段的反应液进行应时段的反应液进行HPLC分析分析偶氮染料苋菜红在降解过程中发生脱除基团偶氮染料苋菜红在降解过

12、程中发生脱除基团和奈环断裂的直接证据是和奈环断裂的直接证据是LC-MS分析分析染料降解过程AM1分子轨道计算采用量子化学计算方法并结合分子图形学技术采用量子化学计算方法并结合分子图形学技术对其进行研究，通过分子轨道的计算，可以知对其进行研究，通过分子轨道的计算，可以知道分子的空间构型，电子云的密度分布，对推道分子的空间构型，电子云的密度分布，对推测电催化氧化的环加成位置及中间产物的稳定测电催化氧化的环加成位置及中间产物的稳定性。性。u4 工程应用工程应用计算工程直计算工程直接费用、设接费用、设计费用、调计费用、调试费用、管试费用、管理费用和税理费用和税金估计投资金估计投资成本成本对于实际染对于实际染料废水降解料废水降解，优化相应，优化相应的工艺条件的工艺条件计算电费、计算电费、维修费、维维修费、维护费、折旧护费、折旧费和其他费费和其他费用估算运行用估算运行成本。成本。实际废实际废水降解水降解投资成投资成本估算本估算运行成运行成本估算本估算投资成本估算投资成本估算+ +运行成本估算运行成本估算=总投资费用总投资费用五五课题研究计划课题研究计划时间安排