蒽醌-石墨烯納米復(fù)合電極的電催化性能及應(yīng)用研究.pdf

1、近年來(lái)，氧還原反應(yīng)(ORR)在能量轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存、傳感器和環(huán)境化學(xué)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，這使得氧分子的激活機(jī)理及其電化學(xué)行為成為重要的研究領(lǐng)域。為了促進(jìn)反應(yīng)速率和電流效率，不同類型的電催化劑和化學(xué)修飾電極被廣泛地應(yīng)用于ORR的電催化過(guò)程，其中蒽醌(AQ)及其衍生物修飾電極因主要催化氧的兩電子還原反應(yīng)而備受關(guān)注。然而，采用普通物理吸附方式制備的負(fù)載醌及其衍生物的修飾電極穩(wěn)定性較差，長(zhǎng)時(shí)間工作后修飾層易脫落，造成電極電催化活性的降低甚至消失，

2、而以共價(jià)鍵合方式制備的醌修飾電極具有更優(yōu)良的電催化穩(wěn)定性。另一方面，石墨烯的發(fā)現(xiàn)，使其在能量存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)化、高性能納米電子器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。在電化學(xué)領(lǐng)域中，石墨烯優(yōu)良的熱力學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能，使其既可以作為電催化劑，亦可以作為電催化劑的載體材料來(lái)促進(jìn)電化學(xué)反應(yīng)的速率。近年來(lái)，異相electro-Fenton氧化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染物廢水的處理。其不僅克服了均相electro-Fenton體系存在的介質(zhì)條件苛刻、產(chǎn)生大

3、量鐵泥及催化劑絡(luò)合失活等缺點(diǎn)，且催化劑易分離回收和再生并循環(huán)使用。而電化學(xué)氨氧化技術(shù)是采用電化學(xué)方式氧化氨，這樣不僅能氧化降解污染物，產(chǎn)生無(wú)二次污染的氮?dú)?，還能利用氨氧化過(guò)程中產(chǎn)生的氫作為能源，但目前多是以鉑和銥等貴金屬作為電催化氨氧化反應(yīng)的催化劑。
　　本文針對(duì)進(jìn)一步提高AQ修飾電極對(duì)ORR的電催化活性和穩(wěn)定性，克服均相electro-Fenton體系存在的缺陷和進(jìn)一步促進(jìn)非金屬催化劑對(duì)電化學(xué)氨氧化的活性等方面開(kāi)展了如下的研究。

4、首先采用兩步電化學(xué)還原法制備并表征了蒽醌/石墨烯納米復(fù)合膜修飾電極(AQ/ER-GO)。利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)、拉曼光譜（Raman）、傅里葉紅外光譜(FT-IR)和x-射線光電子能譜(XPS)技術(shù)對(duì)其形貌、結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行表征。利用循環(huán)伏安法(CV)、電化學(xué)交流阻抗(EIS)、旋轉(zhuǎn)圓/環(huán)盤電極（RDE/RRDE）等技術(shù)考察了AQ/ER-GO/GC電極對(duì)氧還原反應(yīng)的電催化性能。結(jié)果表明，電化學(xué)還原法可有效地還原氧化石墨

5、烯為石墨烯，并將蒽醌(AQ)負(fù)載到其表面，是制備蒽醌/石墨烯納米復(fù)合膜修飾材料的有效方法。AQ/ER-GO/GC電極具有優(yōu)良的電化學(xué)活性和界面電荷轉(zhuǎn)移的能力。在pH5-7的條件下，氧還原反應(yīng)效果最好。在中性和堿性溶液中，復(fù)合修飾膜電極能高效催化氧的兩電子還原反應(yīng)。第二，以AQ/ER-GO復(fù)合膜修飾電極為陰極，F(xiàn)eOOH/Al2O3為固相催化劑，構(gòu)建異相electro-Fenton體系降解染料羅丹明B（RhB）。結(jié)果表明，大面積的AQ/E

6、R-GO復(fù)合膜修飾電極在實(shí)際應(yīng)用中穩(wěn)定性欠佳，對(duì)RhB的降解效果不理想。通過(guò)外加H2O2的方式，考察該異相electro-Fenton體系對(duì)染料RhB的降解效果。其運(yùn)行最佳條件為:恒電位為-0.5V/SCE，pH為5，催化劑投加量為40g(200g/L)，污染物初始濃度為5mg/mL，H2O2投加量為5mL（200mL溶液）。在經(jīng)過(guò)5次重復(fù)使用后，F(xiàn)eOOH/Al2O3固相催化劑的效果仍很明顯，AQ/ER-GO復(fù)合膜修飾電極可顯著地促進(jìn)