电催化氧化技术.ppt

电催化技术 （Technology of Electrocatalysis) 电 化 学 电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电池：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能 转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行 电催化的定义及特点 定义：在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物能促进或抑制在电极上发生的电子转移反应，而电极表面或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。 ● 电催化的特点： ——与常规化学催化相比 1. 在常规的化学催化作用中，反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的。因此，在反应过程中，既不能从外电路中送入电子，也不能从反应体系导出电子或获得电流； 在电极催化反应中有纯电子的转移。电极作为一种非均相催化剂既是反应场所，又是电子的供—受场所，即电催化反应同时具有催化化学反应和使电子迁移的双重功能。 2. 在常规化学催化反应中，电子的转移过程无法从外部加以控制； 电催化反应过程中可以利用外部回路控制电流，使反应条件、反应速度比较容易控制，并可以实现一些剧烈的电解和氧化-还原反应的条件。 ——电催化反应输出的电流则可以用来作为测定反应速度快慢的依据 ——与电化学相比 电催化反应在电化学反应的基础之上，主要是在电极上修饰表面材料及化学材料来产生强氧化性的活性物种，从而提高其降解有机物的能力； 电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比电催化反应低。 电催化去除污染物的基本原理 直接还原：污染物直接在阴极上得到电子而发生还原。 基本反应式为：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多种含氯有机物转变成低毒性物质，提高产物的可生物降解性。 如： R-Cl + H+ + 2e- → R-H + Cl- 。 间接还原：利用电化学过程中生成的一些还原性物质如Ti3+，V2+和Cr2+将污染物还原去除，如二氧化硫的间接电化学还原可转化成单质硫： SO2 + 4Cr2+ + 4H+ → S + 4Cr3+ + 2H2O —— 在金属氧化物MOx阳极上生成的较高价金属氧化物MOx+1有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物； —— 在MOx阳极上生成的自由基MOx (·OH)有利于有机物氧化燃烧生成CO2。 具体反应机理如下：在氧析出反应的电位区，金属氧化物表面可能形成高价态氧化物，因此在阳极上存在两种状态的活性氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。 阳极表面氧化过程分两阶段进行—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基: MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e- 然后吸附的氢氧自由基中的氧转移给金属氧化物晶格，形成高价氧化物： MOx (·OH) → MOx+1 + H+ + e- 间接氧化：通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产物或发生阳极反应之外的中间反应生成的中间物质（·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最终达到氧化降解污染物的目的。 为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须满足以下要求： （1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应的电位； （2）氧化还原剂的产生速度足够大； （3）氧化还原剂与污染物的反应速度比其他竞争反应的大； （4）其他物质（或污染物）在电极上的吸附小。 在电解过程当中，如果采用铝质或铁质的可溶性阳极，通以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成金属阳离子Fe3+、Al3+等，与溶液中的粒子形成具有絮凝作用的胶体物质，这些物质可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从而实现污染物的去出。 在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除，从而达到分离污染物的目的。 可通过调节电流、电极材料、pH值和温度可改变产气量及气泡大小，满足不同需要。 在电场作用下，以光催化剂作为电化学催化电极，使阳极发生电催化作用对阳极槽中的有机物进行催化降解的同时，并在紫外光作用下，降解污染物，从而大大提高了对难降解有机物的催化降解效率。 电催化电极 电极——指与电解质接触的电子导体或半导体，它既是电子贮存器，能够实现电能的输入或输