17金刚石膜电极电化学处理污染物的研究
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由表 ) 可知 !与铂电极和石墨电极相比 !金刚石 电极的电势窗口非常宽 ! 高达 ;#< 5 ! 比前两种电极 的电势窗口宽了 9 倍以上 ! 这使得各种物质在金刚 石电极上产生电化学响应的机会大大增加 " 通常 ! 有 机物的氧化电位在 9#< = 0#< 5 ! 而金刚石电极在酸 性介质中的析氧电位达到了 0#; 5 ! 这表明金刚石电 极具有处理有机物范围宽广的电化学特性 " 表 9 数 据还表明 ! 金刚石膜电极的背景电流非常小 "这表明 金刚石膜的导电性能优异 " 铂电极的背景电流也很 低 !但铂电极的电势窗口仅 9#> 5" 石墨电极的电化 学性能显得较差 !整个电势窗口内背景电流较大 ! 在 酸性介质中其析氧电位为 9?0 5 ! 石墨电极氧化有机 污染物的范围和能力较低 ! 且应用于水处理中能耗 较高 " 电极的析氧电位和相应的电势窗口大小还与电 极所处的介质体系有关 " 金刚石膜电极在浓度均为
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电催化氧化处理污染物的研究现状 探索高效处理有毒 ’有害 ’难生化降解污染物的
催化氧化技术 ! 一直是国内外环境领域中研究的热 点 ! 其中电催化氧化降解方法近年来在国际上颇受 重视 ! 这主要基于一是有机电化学理论和应用的研 究不断深入 ! 为有机污染物通过电催化氧化反应得
$ 基金项目 % 国家自然科学基金资助项目 )$#+,&"#- *( 上海市纳米专项资助项目 )#+$’5A"%) *
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9 %$) ’ : 的硫酸酸性介质 %氢氧化钠碱性和硫酸钠中 性介质中的电势窗口依次为 ;#2 5%;#< 5 %2#0 5 " 其 析氧电 位 在 碱 性 介 质 中 最 低 ! 仅 为 @ A?B 5* 而 在 酸
性和中性介质中分别为 @ 0?; 5 和 @ 0?9 5) 因此 ! 金 刚石膜电极更适合于酸性或中性介质中降解处理污 染物 ) 实验还发现 ! 金刚石膜电极表面具有非常好的 + 自净 , 能力 ) 例如 ! 在低于金刚石膜电极的析氧电位 下 ! 苯酚易在电极表面形成聚合物膜使电极钝化失 活 !但在高于析氧电位下电解数十秒时间 ! 电极即可
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备电极表面化学性质稳定 %电化学催化性能优良 % 电 催化性能不易失活 % 电极的电势窗口宽等特点 " 在水 处理应用中 ! 水在电极上会发生氧化反应析氧 % 或者 发生还原反应析氢 ! 电极的析氧电位与析氢电位的 差值 ! 通常称为电极的电势窗口 1 也是衡量电极是否 适合于水处理方法的一个重要指标 " 若电极的电势 窗口宽广 ! 析氧电位高 !此时一些氧化电位较高的污 染物 !即难以氧化的污染物 ! 就有可能在析氧反应发 生之前在电极上直接被电催化氧化 ! 从而得以降解 处理 " 采用电催化性能优良 %电势窗口宽广的电极 ! 提高污染物在电极上直接电化学氧化的反应程度 ! 是拓宽电催化氧化技术处理对象的范围和获得高效 处理能力的一条重要思路 "此外 !电极的失活程度即 电极的活性寿命也是决定电极能否应用于实际处理 中的一个重要的技术指标 " 通过人工设计修饰电极表面的微结构 ! 可将一 些具有良好催化性能的物质如石墨的同素异形体金 刚石 % 金属氧化物 % 贵金属等 ! 制备得到电化学性能 优良 %适用于环保处理的高效催化电极 ! 从而赋予电 极所期望的电化学特性和对污染物的电催化性能 " 污染物在降解过程中尽可能避免产生或较少产生中 间产物 ! 增大氧化电流效率 ! 使得一些浓度高 % 毒性 大 % 难生物降解的污染物能够通过电化学氧化方法 得以降解处理 "而且通过对电极表面结构的修饰 ! 使 其催化活性点增多 ! 将有助于提高电极抗中毒 % 抗催 化失活性能和电极的寿命 " 这将是今后研制适用于 环保处理的电极材料的发展方向 "
电极 金刚石膜 电极 铂电极 石墨电极
+, 电极更为有效的一类电极 ! 但这类电极的表面化
学成分和性质不够稳定 !寿命低 %电催化性能易失活 等缺陷尚未能得到解决 ! 并会在处理体系中带入微 量有毒的金属物质 " -’./ 半导体材料是近年来研究 的热点 ! 但更适用于光催化或者作为光电催化氧化 的电极材料 ! 而不适宜作为电化学氧化的催化电极 材料 "因此 !污染物的电化学氧化降解技术亟待寻找 和探索高效 % 适用的电极材料 "
第 ’) 卷第 - 期 ’##) 年 - 月
工业水处理
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金刚石膜电极电化学处理污染物的研究
赵国华 !肖小娥 ! 祁源 ! 李明利 ! 胡惠康
" 同济大学化学系 !上海
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$ 摘要 % 采用人工合成的金刚石膜电极进行电化学氧化降解处理污染物的探索工作 ! 已成为环境电化学领域中 最为关注的国际性研究热点之一 & 从电催化氧化降解技术处理污染物的研究现状及其存在的问题出发 ! 分析了适用 于污染物降解处理的高效电极材料应具有的表面特性及其电化学性质 & 在综述了金刚石膜电化学研究以及应用于 污染物处理的工作基础上 ! 结合近期相关的研究结果 ! 论述了金刚石膜电极的电化学特性以及对污染物氧化降解的 应用和降解机理 & 金刚石膜电极将是未来环保处理中非常适用 ’ 高效 ’ 稳定的电极材料 & $ 关键词 % 金刚石膜电极 ( 电化学氧化 ( 污染物 $ 中图分类号 % $%"&’( $ 文献标识码 % ! $ 文章编号 % "##$ % &’() )’##) *"* % ##(% % #+
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金刚石膜电极的电化学特性 金刚石是石墨的一种同素异形体 ! 它具有独特
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工业水处理 )! 所示 "
赵国华 !等 - 金刚石膜电极电化学处理污染物的研究 极能将污染物质彻底氧化成 )," 和 -", ! 在这一过 程中同时伴随着 -", 分解析氧反应 % 进一步研究表 明 ! 污染物在金刚石膜电极上的氧化降解同时发生 直接氧化和间接氧化两种途径 ! 一方面污染物可在 金刚石膜电极上直接失去电子发生氧化反应被降 解 $ 另一方面 ! 通过水分解产生的羟基自由基 & 氧等 强氧化剂也将与污染物发生氧化 ! 由间接氧化过程 使污染物得以降解处理 % 金刚石膜电极氧化降解污 染物的电流效率是非常高的 ! 尤其在电解的最初阶 段有机物浓度较高时! 电流效率最高! 可接近
