[发明专利]一种电催化耦合高级氧化体系

说明书

本发明提供了一种电催化耦合高级氧化体系，可降解有机污染物为二氧化碳并同步电催化还原为碳氢化合物。在该催化体系中，三维六角星状Co₃O₄和纳米片堆积花状CuO分别作为阳极和阴极材料，两种电极材料都是通过溶剂热法制备得到。在三电极体系电催化过程中，Co₃O₄电阳极可以将对硝基苯酚彻底矿化成CO₂和H₂O，CuO电阴极可以将生成的二氧化碳同步还原为有用的碳氢化合物。当外加偏压为‑0.8V vs Ag/AgCl时，材料的催化效果最佳。对硝基苯酚去除率可达98％以上，甲醇和乙醇的产率分别达到49.145和20.475微摩尔/升/小时。

技术领域

本发明涉及一种电催化耦合高级氧化体系，属于污水处理领域。

背景技术

工业化和城镇化的快速发展给人类带来高度发达的物质文明同时，也带来了不容忽视的环境污染和资源短缺等严重问题。持续增加的污染不仅会导致像全球变暖这样严重的问题，而且还将威胁到我们的生活。其中工业废水的大量排放及化石能源燃烧后产生大量的CO₂尤为引人关注。目前水环境污染物不仅仅是简单的无机污染物，更多成分越来越复杂，浓度越来越高的有机污染问题日益严峻。如何深度处理这些对人类有害的具有高浓度、难降解且易累积的有机污染物及减少温室效应气体CO₂的排放，已成为社会关注的焦点。常见的有机污染物的处理方法有光催化、电催化法、高级氧化技术及传统的物理、化学法等，然而这些方法中可以将有机污染物矿化为CO₂，但是依然存在量子效率低、能量利用率低、催化剂难回收等问题。另一方面，CO₂催化还原为其他碳氢化合物的报道已经进行了大量研究，常见的CO₂催化还原的途径有光催化，电催化和光电催化方法等，法拉第效率低，还原产物的选择性等问题依然是急需解决的问题，尽管目前有大量关于有机物污染物去除以及CO₂还原的报道。但是同时目前所有的处理方法都没有考虑在有机污染物高效去除的同时实现CO₂催化还原。这不仅解决环境污染问题，而且可以实现有机污染物的资源化利用，在解决水体中有机污染物的同时，克服温室气体带来的负面影响。

近年来，以硫酸根自由基(SO₄·-)和羟基自由基(·OH)为基础的高级氧化技术(AOPs)迅速发展并成为高效处理有机污染物的新兴技术。目前已经有大量关于过一硫酸盐(PMS)或者过二硫酸盐(PDS)活化产生SO₄·-和·OH去除有机污染物的报道。主要包含了以下几类：(1)超声，加热，紫外光下；(2)均相催化过程中的变价金属离子：Co²⁺，Mn²⁺，Fe²⁺等；(3)含有变价金属的异相催化剂：Co₃O₄，MnO₂，Fe₂O₃等。Shiying Yang等系统的探讨了紫外光，加热条件下PMS活化产生硫酸根自由基和羟基自由基对酸性橙-7的降解。Jing Deng通过模版法得到有序的介孔Co₃O₄，相对于Co₃O₄纳米粒子具有更高的稳定性，探究了其活化PMS用于降解氯霉素的机理过程。同时，电催化去除有机污染物技术引起了研究者的广泛关注，从早期简单的阳极氧化去除有机污染物发展到电芬顿应用于有机废水。Comninellis，C通过掺杂的SnO₂作为阳极电催化氧化苯酚，TOC去除可以达到90％，通过分析反应的中间产物以及碳的平衡证实了苯酚氧化成CO₂的过程。尽管目前还有很多电催化氧化和基于SO₄·-高级氧化去除有机污染物的报道，同时电催化还原CO₂成有机物的报道也不少。但是至今没有将电催化耦合高级氧化降解有机污染物为二氧化碳并同步电催化还原为碳氢化合物的体系的报道。因此，制作一个新颖的电催化系统来实验这两个目标刻不容缓。这样不仅有利于环境的治理，也有利于缓解能源危机，同时为环境治理提供了新的思路。