改性钛基二氧化铅电极催化氧化降解水中四环素

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0416

摘要/Abstract

摘要：

使用NiO做中间层，并掺杂稀土元素（La）对Ti/PbO₂电极进行改性，制备了Ti/NiO/PbO₂-La电极。采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪和X光电子能谱对电极表面进行表征，结果表明Ti/NiO/PbO₂-La电极表层形貌致密、规整，具有较大的活性比表面积，因此具有较Ti/PbO₂电极更多的活性位点，且La以La₂O₃的状态被掺杂在PbO₂中。通过循环伏安法（CV）、线性伏安法（LSV）和交流阻抗（EIS）一系列电化学分析，证实以NiO修饰钛基、活性层掺杂La均可以改善电极的电化学性能，且二者具有协同作用。将Ti/NiO/PbO₂-La电极用于对四环素（TC）的电催化氧化，初步分析了溶液pH、电流密度和TC初始浓度对电催化氧化反应的影响，结果表明，Ti/NiO/PbO₂-La电极对TC的电催化降解过程符合准一级动力学模型，当溶液pH为4.5，电流密度为20 mA/cm²，TC初始质量浓度为10 mg/L时，反应90 min后，TC去除率可高达98.4%。

关键词: 电化学沉积, 阳极, 电催化氧化, 准一级动力学模型

Abstract:

Ti/NiO/PbO₂-La electrode was prepared by modifying Ti/PbO₂ electrode with NiO as interlayer and doped with rare-earth element（La）. The surface of the electrode was characterized by scanning electron microscope，X-ray spectrometer and X-ray photoelectron spectroscopy. The results showed that the surface morphology of the Ti/NiO/PbO₂-La electrode was compact and regular，with a large active specific surface area，so it had more active sites than the Ti/PbO₂ electrode，and La was doped in PbO₂ as the state of La₂O₃. Through a series of electrochemical analysis by cyclic voltammetry（CV），linear voltammetry （LSV） and AC impedance（EIS），it was confirmed that the electrochemical performance of the electrode could be improved by NiO modified titanium base and the active layer doped with La，which had synergistic effect.Ti/NiO/PbO₂-La electrode was used for the electro-catalytic oxidation of TC，and the effects of solution pH，current density and initial concentration of TC on the electro-catalytic oxidation reaction were preliminarily analyzed. The results showed that the electro-catalytic degradation of TC by Ti/NiO/PbO₂-La electrode was in accordance with the quasi-first-order kinetic model. Under the conditions of the solution pH 4.5，current density 20 mA/cm²，initial mass concentration of TC 10 mg/L，and the reaction time 90 minutes，the removal rate of TC could reach 98.4%.

Key words: electrochemical deposition, anode, electrocatalytic oxidation, quasi-first-order dynamic model

中图分类号:

X703.1

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https://www.iwt.cn/CN/Y2023/V43/I3/71

图/表 12

图1 所制备电极的SEM

Fig. 1 SEM images of prepared electrodes

图2 电化学沉积后Ti/NiO/PbO₂-La的元素映射图

Fig. 2 Element mapping of Ti/NiO/PbO₂-La after electrochemical deposition

图3 电化学沉积后Ti/NiO/PbO₂-La的元素组成

Fig. 3 Elemental composition of Ti/NiO/PbO₂-La after electrochemical deposition

图4 Ti/NiO/PbO₂-La电极的XPS

Fig. 4 XPS spectra of Ti/NiO/PbO₂-La electrode

图5 不同电极在0.1 mol/L Na₂SO₄溶液中的循环伏安曲线

Fig. 5 Cyclic voltammetric curves of different electrodes in 0.1 mol/L Na₂SO₄ solution

图6 不同电极在0.1 mol/L Na₂SO₄溶液中的线性伏安曲线

Fig. 6 Linear volt ampere curves of different electrodes in 0.1 mol/L Na₂SO₄ solution

图7 不同电极在0.1 mol/L Na₂SO₄溶液中的交流阻抗曲线及等效电路

Fig. 7 AC impedance curves and equivalent circuit of different electrodes in 0.1 mol/L Na₂SO₄ solution

表1 不同电极的电化学阻抗谱拟合参数

Table 1 Electrochemical impedance spectrum fitting parameters of different electrodes

电极	R_s/（Ω·cm^-2）	C₁/（F·cm^-2）	R_ct/（Ω·cm^-2）
Ti/PbO₂	10.56	0.000 127 38	40.15
Ti/PbO₂-La	8.707	0.000 204 03	38.81
Ti/NiO/PbO₂	10.39	0.000 164 47	56.89
Ti/NiO/PbO₂-La	6.731	0.000 341 10	15.85

图8 溶液pH对TC降解的影响（a）及反应动力学拟合（b）

Fig. 8 Effect of pH of solution on TC degradation（a） and reaction kinetic fitting（b）

图9 电流密度对TC降解的影响（a）及反应动力学拟合（b）

Fig. 9 Effect of current densities on TC degradation（a） and reaction kinetic fitting（b）

图10 TC初始质量浓度对TC降解的影响（a）及反应动力学拟合（b）

Fig. 10 Effect of initial mass concentrations of TC on TC degradation（a） and reaction kinetic fitting（b）

图11 电极稳定性分析

Fig. 11 Electrode stability analysis

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