MnO2‒RuO2/CFS复合电极制备及其电氧化性能研究
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Preparation and electro oxidation performance of MnO2‒RuO2/ CFS composite electrode
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收稿日期: 2021-12-24
基金资助: |
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Received: 2021-12-24
作者简介 About authors
马伟涛(1996—),硕士研究生电话:15369300219,E-mail:
李再兴,教授电话:13832111831,E-mail:
关键词:
Keywords:
本文引用格式
马伟涛, 李再兴, 陈晓飞, 刘艳芳, 雷诣涵, 侯鹏飞.
MA Weitao.
本研究以碳纤维布为基体,运用电沉积方法制备出在碳纤维布表面负载MnO2和RuO2纳米颗粒的催化电极——MnO2‒RuO2/CFS复合电极。利用SEM、XRD、循环伏安测试等对制备的电极进行了表征,并通过降解高氯亚甲基蓝模拟废水实验,考察了制备电极的电化学氧化性能及影响因素。该项研究可为新型催化阳极的制备与应用提供技术支持。
1 材料与方法
1.1 试验材料
亚甲基蓝,购自中国医药集团有限公司;RuCl3·3H2O和MnCl2·4H2O,购自麦克林生化科技有限公司。碳纤维布,W0S1009碳能布,购自香港理化公司。试验所用试剂均为分析纯。
1.2 电极制备
1.2.1 碳纤维布的前处理
首先将碳纤维布分别用丙酮、无水乙醇和纯水超声清洗,然后分别采用浓H2SO4和HNO3混合酸溶液加热酸洗,再用0.5 mol/L NaOH碱性溶液碱洗,之后置于干燥箱内,在120 ℃条件下烘干,备用。
1.2.2 RuO2/CFS电极制备
配制0.05 mol/L RuCl3·3H2O、0.01 mol/L HCl和0.1 mol/L KCl混合均匀的电沉积液。取40 mL电沉积液于电解槽中,采用三电极体系,纯碳纤维布为工作电极,Ag/AgCl为参比电极,Pt片为对电极,将电流密度设置为25 mA/cm2,通电35 min进行沉积。反应结束后,用去离子水将电极冲洗干净,然后置于干燥箱内,在65 ℃条件下烘5 h,再将样品置于管式炉空气气氛中于350 ℃条件下煅烧5 h,得到RuO2/CFS电极。
1.2.3 MnO2‒RuO2/CFS复合电极制备
配制0.05 mol/L MnCl2·4H2O、0.01 mol/L HCl和0.1 mol/L KCl混合均匀的溶液。以RuO2/CFS电极为工作电极,其他操作同1.2.2,制备MnO2‒RuO2/CFS复合电极。MnO2‒RuO2/CFS电极制备原理如图1所示。
图1
1.3 试验方法
亚甲基蓝模拟废水配制:准确称取0.5 g亚甲基蓝溶于适量蒸馏水中,然后置于1 000 mL容量瓶中,定容,制得500 mg/L亚甲基蓝模拟废水。
试验步骤:取50 mL 500 mg/L的亚甲基蓝模拟废水置于电解反应装置内,以NaCl为电解质,连接直流稳压电源。反应一段时间后,取样,进行水样分析。试验反应装置采用亚克力板制作,装置容积为100 mL。反应体系分别采用纯碳纤维布电极、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS复合电极作为阳极,阴极均为纯碳纤维布电极,尺寸均为20 mm
1.4 分析方法
1.4.1 电极表征
采用S4800扫描电子显微镜(SEM,日本东京司乐仪器有限公司)观察电极的表面形貌,电子枪钨灯丝,分辨率3.5 mm。
采用101-OAB型X射线衍射仪(XRD,日本东京司乐仪器有限公司)测定电极表面晶型,Cu靶Kα射线,λ=1.541 84 nm,V=60 kV,I=300 mA,2θ为0.5°~100°。
采用电化学工作站(Autolab,瑞士万通中国有限公司)测试电极材料的电化学性能。采用三电极体系,分别以纯碳纤维布、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS复合电极为工作电极,以Pt片电极为对电极,Ag/AgCl作为参比电极,选用5 mol/L NaCl溶液作为电解液,在室温下进行循环伏安(CV)测试,扫描速率20 mV/s,扫描电压-1~1 V。
1.4.2 水样分析
采用UV1780紫外可见分光光度计(日本岛津仪器有限公司)测定亚甲基蓝浓度,测定波长665 nm,标准曲线方程y=0.073 4x-0.052 1(y为吸光度,x为亚甲基蓝浓度);采用重铬酸盐法测定COD,并采用差减法对结果进行校正。
2 结果与讨论
2.1 电极材料的表征
2.1.1 SEM表征
图2
图2
纯碳纤维布的SEM表征结果
Fig.2
SEM characterization results of blank carbon fiber cloth
图3
图3
RuO2/CFS电极(b1,b2)和MnO2‒RuO2/CFS电极(c1,c2)的SEM表征结果
Fig.3
SEM characterization results of RuO2/CFS electrodes (b1,b2) and MnO2‒RuO2/CFS electrodes (c1,c2)
由图2可以看出,碳纤维布呈三维网状结构,具有良好的延展性和导电性,并且表面呈现出一条条径向分布的沟壑,这不仅可以增加碳布的比表面积,还能增加RuO2和MnO2在碳布表面附着的结合点,显著提高催化电极的活性面积,提升电催化降解的效率。本试验用碳纤维布面密度约13 mg/cm2,厚度约323 μm。
由图3可以看出,对于RuO2/CFS电极,高温煅烧生成的RuO2颗粒成短杆状散布在碳纤维布表面上,但其并未完全布满碳布表面,颗粒较小。对于MnO2‒RuO2/CFS电极,同样具有良好的三维结构,负载成球形在碳纤维布上成长为致密的纳米颗粒结构且分布均匀;与RuO2/CFS电极相比,其表面更为粗糙,活性组分表面积更大。造成此现象的原因可能是RuO2与MnO2在高温煅烧条件下发生相互协同作用,形成纳米晶体,均匀地附着在碳纤维表面和沟壑中。
2.1.2 XRD表征
电极材料的XRD表征结果如图4所示。
图4
由图4可以看出,纯碳纤维布、RuO2/CFS和MnO2‒RuO2/CFS复合电极在26°左右都存在1个相同衍射峰,经对比分析,其为石墨碳晶体的特征衍射峰。另外,在2θ为38º、42º、44º和58º处的衍射峰为RuO2纳米晶体特征衍射峰,2θ为32º、46º和69º处的衍射峰为MnO2纳米晶体特征衍射峰,可以看出对于MnO2‒RuO2/CFS复合电极,碳纤维布上有RuO2和MnO2晶体存在。同时,与RuO2/CFS电极相比较,MnO2‒RuO2/CFS复合电极的RuO2衍射峰强度更高。结合电极的SEM结果来看,成功制备了MnO2‒RuO2/CFS复合电极。
2.1.3 循环伏安曲线分析
图5为纯碳纤维布、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS电极的CV曲线。
图5
图5
纯碳纤维布、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS电极的CV曲线
Fig. 5
CV curves of blank carbon fiber cloth,RuO2/CFS electrode and MnO2‒RuO2/CFS electrode
由图5可知,RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS电极的CV曲线皆具有对称性,表明其具有良好的电容性能。与RuO2/CFS电极相比,MnO2‒RuO2/CFS复合电极在-1~1 V范围内表现出更大的质量比电容,原因可能是MnO2完全包覆住碳纤维,形成更大比表面积的纳米晶体结构,从而增强了电极收集电子的能力,使得电容量增高。随着扫描的进行,曲线出现氧化还原峰,表明有强烈的氧化反应产生。当反向扫描时,出现了还原峰,还原峰对应于电极表面氧化物的还原反应发生。RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS电极出现电氧化峰的位置相似,但MnO2‒RuO2/CFS电极峰的高度更高,电流密度更高,说明电化学氧化性能更好。
2.2 3种电极降解亚甲基蓝效果研究
在亚甲基蓝质量浓度为500 mg/L,电解质NaCl质量浓度为20 g/L,电流密度为100 mA/cm2,电解时间为90 min的条件下,考察3种电极降解亚甲基蓝的效果,结果如图6所示。
图6
图6
3种电极材料处理废水效果对比
degradation of organic compounds
Fig.6
Comparison of three electrode materials for
由图6可以看出,反应0~15 min时,COD去除率为负值,COD浓度升高。原因是由于亚甲基蓝含有苯环结构,重铬酸钾法测COD不能氧化苯环;而随着反应的进行,亚甲基蓝的苯环结构被反应过程中生成的ClO-、HClO等活性氯自由基氧化分解为可被重铬酸钾氧化的小分子有机物,从而导致COD去除率为负值。结合紫外全波长扫描分析可知,反应时间为0 min时,在波长为247 nm处出现苯环结构的特征峰,反应15 min后该特征峰消失,表明亚甲基蓝的苯环结构遭到破坏,因此该时刻COD去除率最低且为负值。
由图6可知,电解30 min时,以MnO2‒RuO2/CFS电极为阳极的亚甲基蓝脱色率比RuO2/CFS电极高21.00%,比纯碳纤维布高29.37%;电解90 min时,以MnO2‒RuO2/CFS电极为阳极的COD去除率比RuO2/CFS电极高26.98%,比纯碳纤维布高46.00%,表明MnO2‒RuO2/CFS电极具有更优异的电化学氧化性能,与电极表征结果一致。
2.3 影响MnO2‒RuO2/CFS电极降解效果的因素
2.3.1 亚甲基蓝初始浓度的影响
在NaCl质量浓度为20 g/L,电流密度为100 mA/cm2的条件下,探究亚甲基蓝初始浓度对降解效果的影响,结果见图7。
图7
图7
亚甲基蓝初始浓度对降解效果的影响
blue on degradation effect
Fig.7
Effect of initial concentration of methylene
2.3.2 NaCl浓度的影响
在亚甲基蓝初始质量浓度为500 mg/L,电流密度为100 mA/cm2的条件下,探究NaCl浓度对降解效果的影响,结果见图8。
图8
图8
NaCl浓度对降解效果的影响
Fig.8
Effect of electrolyte concentration on degradation effect
由图8可知,随着NaCl浓度的增加,COD去除率和脱色率增大。原因是随着NaCl浓度的增加,一方面溶液导电能力增强,电极电解效率提高;另一方面电化学氧化产生的次氯酸根、次氯酸等活性氯自由基增加,氧化降解能力增强。当NaCl质量浓度达到20 g/L后,继续增加NaCl浓度,COD去除率和脱色率的变化不大。综合考虑实际应用成本,选择电解质NaCl质量浓度为20 g/L。
2.3.3 电流密度的影响
在亚甲基蓝初始质量浓度为500 mg/L,NaCl质量浓度为20 g/L的条件下,探究电流密度对降解效果的影响,结果见图9。
图9
从图9可以看出,随着电流密度的增加,COD去除率和脱色率增加,当电流密度达到100 mA/cm2后,继续增加电流密度,COD去除率和脱色率增加的幅度变缓。随着电流密度的增加,溶液中产生了更多的带电粒子,反应体系中产生了更多的活性氯自由基,加快了反应的进行。当活性氯自由基增加到一定值时,体系中过量的活性氯自由基会相互抑制,导致底物降解速率受限,从而影响降解效果。综合考虑实际应用成本,选择电流密度为100 mA/cm2。
2.3.4 电解时间的影响
在亚甲基蓝初始质量浓度为500 mg/L,NaCl质量浓度为20 g/L,电流密度为100 mA/cm2的条件下,探究电解时间对降解效果的影响,结果见图10。
图10
2.4 正交试验研究
2.4.1 正交试验设计
为进一步确定MnO2‒RuO2/CFS复合电极降解亚甲基蓝的最佳参数条件,利用SPSS软件设计正交试验,其因素水平如表1所示。模型设计完成后按随机顺序进行试验。
表1 因素水平
Table 1
水平 | 因素 | |||
---|---|---|---|---|
A 亚甲基蓝初始质量浓度/(mg·L-1) | B NaCl质量浓度/(g·L-1) | C 电流密度/(mA·cm-2) | D 电解时间/min | |
1 | 350 | 15 | 80 | 15 |
2 | 450 | 20 | 90 | 30 |
3 | 550 | 25 | 100 | 45 |
4 | 650 | 30 | 110 | 60 |
2.4.2 试验结果方差分析
表2 正交试验结果
Table 2
编号 | A | B | C | D | COD去除率/% | 脱色率/% |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | 350 | 15 | 80 | 15 | -65.22 | 95.79 |
2 | 550 | 25 | 80 | 45 | 75.78 | 97.05 |
3 | 650 | 30 | 80 | 60 | 90.76 | 92.92 |
4 | 450 | 20 | 80 | 30 | 65.21 | 92.06 |
5 | 450 | 30 | 100 | 15 | -67.71 | 88.83 |
6 | 650 | 25 | 90 | 15 | -62.05 | 92.07 |
7 | 550 | 20 | 110 | 15 | -38.21 | 97.93 |
8 | 350 | 30 | 110 | 45 | 45.54 | 96.53 |
9 | 650 | 15 | 110 | 30 | 27.39 | 98.04 |
10 | 350 | 25 | 100 | 30 | -4.06 | 93.15 |
11 | 450 | 25 | 110 | 60 | 78.23 | 96.91 |
12 | 450 | 15 | 90 | 45 | 53.02 | 97.33 |
13 | 550 | 15 | 100 | 60 | 95.90 | 97.21 |
14 | 550 | 30 | 90 | 30 | 34.64 | 97.46 |
15 | 650 | 20 | 100 | 45 | 70.30 | 97.84 |
16 | 350 | 20 | 90 | 60 | 93.22 | 94.38 |
表3 试验方差分析结果
Table 3
指标 | 方差来源 | 平方和 | 自由度 | 均方和 | F值 |
---|---|---|---|---|---|
亚甲基蓝 脱色率 | A | 0.003 | 3 | 0.001 | 1.670 |
B | 0.002 | 3 | 0.001 | 1.314 | |
C | 0.002 | 3 | 0.001 | 1.460 | |
D | 0.003 | 3 | 0.001 | 1.528 | |
误差E | 0.002 | 3 | 0.001 | ||
COD 去除率 | A | 0.209 | 3 | 0.070 | 5.087 |
B | 0.274 | 3 | 0.091 | 6.380 | |
C | 0.139 | 3 | 0.046 | 2.968 | |
D | 2.281 | 3 | 0.760 | 201.944 | |
误差E | 0.130 | 3 | 0.043 |
由表3可知,各因素COD去除率的F值大于亚甲基蓝脱色率的F值,表明各因素水平的改变对COD去除率的影响大于对脱色率的影响。因此,工艺优化条件以COD去除率指标为主要参考。
2.4.3 COD去除率各影响因素分析
以COD去除率为评价指标的正交试验极差分析结果如表4所示。
表4 正交试验的极差分析结果
Table 4
考核指标 | A | B | C | D | |
---|---|---|---|---|---|
COD 去除率 | K1 | 0.694 9 | 1.111 0 | 0.504 6 | -2.33 |
K2 | 1.287 5 | 1.905 2 | 1.188 4 | 1.231 8 | |
K3 | 1.681 1 | 0.879 1 | 0.944 3 | 2.446 4 | |
K4 | 1.264 0 | 1.032 3 | 1.129 5 | 3.581 2 | |
k1 | 0.173 7 | 0.277 7 | 0.126 2 | -0.583 0 | |
k2 | 0.321 9 | 0.476 3 | 0.297 1 | 0.308 0 | |
k3 | 0.420 3 | 0.219 8 | 0.236 1 | 0.611 6 | |
k4 | 0.316 0 | 0.258 1 | 0.282 4 | 0.895 3 | |
R | 0.246 5 | 0.256 5 | 0.170 9 | 1.478 3 |
对R值进行比较可知:4个因素对COD去除率的影响主次顺序为电解时间>NaCl浓度>初始亚甲基蓝浓度>电流密度。对比ki 值发现,在考虑因素单独作用的条件下,当水平组合为A4B2C1D4,即亚甲基蓝初始质量浓度为550 mg/L,NaCl质量浓度为20 g/L,电流密度为90 mA/cm2,电解时间为60 min时,COD去除率最高,说明其为提高COD去除率的最优处理工艺条件。
2.5 动力学分析
对最佳试验条件下的试验结果采用最小二乘法进行线性拟合,以ln(COD0/COD t )对时间(t)作图,得到MnO2‒RuO2/CFS复合电极电催化处理高氯亚甲基蓝的动力学方程:ln(COD0/COD t )=0.065 2t-1.474 7,其相关系数R2=0.935 0,表明该处理过程近似符合一级动力学。
3 结论
(1)采用SEM、XRD和循环伏安曲线对纯碳纤维布电极、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS复合电极进行表征,结果表明,MnO2‒RuO2/CFS复合电极上存在密集粗糙的MnO2和RuO2纳米晶体,相比纯碳纤维布电极、RuO2/CFS电极,其电容量更大、电化学氧化性能更好。
(2)在相同的电解条件下,对比研究了纯碳纤维布电极、RuO2/CFS电极和MnO2‒RuO2/CFS复合电极对亚甲基蓝的电化学降解效果。结果表明,MnO2和RuO2的共同存在可促进亚甲基蓝的降解。采用MnO2‒RuO2/CFS复合电极降解亚甲基蓝的最佳条件:亚甲基蓝初始质量浓度550 mg/L,电解质NaCl质量浓度20 g/L,电流密度90 mA/cm2,电解时间60 min。
(3)以MnO2‒RuO2/CFS复合电极为阳极电催化处理高氯亚甲基蓝的动力学方程ln(COD0/COD t )=0.065 2t-1.474 7,其相关系数R2=0.935 0,近似符合一级动力学方程。
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