摘要
电催化是使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化作用。电催化反应具有反应条件温和、易操作、对环境无二次污染等优点，在氧还原、废水降解等水环境治理方面备受关注。该技术的关键在于电催化剂，电催化剂的类型、活性、选择性和稳定性等因素决定其实际应用性。沸石咪唑类骨架-8（ZIF-8）作为金属有机骨架（Metal organic frameworks,MOFs）之一，具有优异的物化特性，其衍生材料被广泛应用于电催化反应中。本文采用2-甲基咪唑（MeIM）为有机配体合成了 Pt-ZIF-8、Fe/Co-ZIF-8和Fe-Zn-ZIF前驱体，通过高温煅烧和杂原子掺杂等处理合成阴极电催化剂。通过XRD和SEM等表征来探究催化剂的结构形貌，利用旋转环盘电极（RRDE）探索了 ZIF-8衍生阴极催化剂电产过氧化氢（H2O2）活性及去除抗生素废水的效果。论文的主要研究内容如下: （1）通过2 e-途径电化学法产H2O2是蒽醌工艺最有效的替代方法。目前制备高效电产H2O2的催化剂是工艺中的一个主要挑战，因此设计出以ZIF-8为前驱体的具有良好颗粒间距的电催化剂Pt-N/C。不同掺杂量的金属Pt会对ORR性能造成影响，其中催化剂Pt-N/C-80颗粒分布稀疏，则在H2O2完全还原为H2O之前就有机会被释放,进而提高H2O2的选择性。通过试验分析，催化剂Pt-N/C-80表现出高达65％ H2O2及78 mmol L-1的H2O2积累浓度，同时通过H2O2解离或氧还原途径直接产生羟基自由基并有效去除废水。 （2）电芬顿是一种废水处理高级氧化技术，但该技术目前用于二电子氧还原的催化剂电产过氧化氢效率仍然较低。因此研究了 ZIF-8衍生Fe/Co-N-C高选择性双金属电催化剂，其中Co提高了催化剂的H2O2选择性及积累浓度，在电产H2O2方面起着关键作用，Fe活化H2O2产生羟基自由基进而高效去除氧氟沙星（OFL）。结果表明,催化剂Fe/Co-N-C-800表现出最好的氧化还原性能。在碱性条件下电产过氧化氢选择性可达75％,过氧化氢积累浓度最高为142mmol L-1,经200次循环后仍表现出良好的稳定性，在210 min内可实现对OFL有效去除。 （3）电芬顿是一种具有广阔前景的污染物去除工艺。工艺的关键在于H2O2电合成速率和积累浓度，但现有电催化剂未能满足反应的需求，因此设计高效电产H2O2催化剂成为首要问题。研究发现通过将电负性杂原子掺杂到金属氮的材料上，通过2e-途径还原氧电产H2O2,从而实现更高的H2O2选择性。在此合理地设计了一种掺杂电负性S元素的Fe-N/S-C催化剂，该催化剂在碱性条件下表现出良好的ORR性能并通过电芬顿反应高效地降解阿奇霉素(AZI)。最终，在不同S元素掺杂量下Fe-N/S-C-3表现出优异的H2O2选择性(76％),同时210 min内在碱性条件下(pH=13)对AZI去除率高达95.9％。
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