用于高效降解水中新兴有机污染物的过滤型可见光光电极

作者：许晨阳 环境学院

指导老师：黄霞 环境学院

关键词：过滤型电极、光电极、新兴污染物控制

摘要

   传统电催化氧化技术面临着浓差极化与高效率与低能耗无法有效统一的问题，因而难以实现新兴有机污染物的高效率、低能耗控制。本研究制备了一种过滤型的可见光g-C₃N₄/g-CFs光电极，巧妙的通过过滤水流与太阳光解决了上述电催化反应的两个问题，实现了基于电催化反应的新兴有机污染物高效率、低能耗的控制。

研究背景

随着化学品的不断开发与使用，大量新兴有机污染物在水体中被不断检出，威胁了人与生态安全。电催化是一类通过电化学反应氧化污染物的技术，但传统的电催化氧化面临着传质限制导致的浓差极化以及高效率与低能耗无法有效统一等问题，尚难以高效率、低能耗的控制新兴污染物。为解决上述问题，本项目选用石墨化的碳纤维（g-CFs）作为电极材料，制备了过滤型电极，并在电极上同步负载了可吸收太阳光的光催化剂g-C₃N₄，形成了过滤型的光电极。从而通过过滤过程中流动强化污染物的传质效果，缓解浓差极化。并利用g-C₃N₄在光照条件下产生电子-空穴对的特点，利用外加的低电压导走电子，留下强氧化性的空穴用于降解污染物，实现了低偏压（低能耗）条件下新型有机污染物的高效降解，巧妙的解决了传统电催化技术所面临的问题，实现新兴有机污染物高效率、低能耗的控制。

图1 g-C₃N₄/g-CFs过滤型光电极理念图

材料制备

本研究采用了通过静电纺丝耦合高温碳化制备了g-CFs，并通过高温煅烧尿素制备了g-C₃N₄。在得到两种材料后，通过加入DBSA-Na和PTFE进行连粘压片，即可得到过滤型的可见光光电极。

图2 g-C₃N₄/g-CFs光电极的制备方法

图3 g-C₃N₄/g-CFs光电极微观结构与元素分布

效果检验

本研究制备的光电极在外加2V偏压与模拟太阳光照射的条件下对于普萘洛尔（PRO）的降解速率常数为0.027~0.045 min^-1，在同类研究中处于较高水平，而处理能耗仅为0.018kWh/m³，领先同类光、电催化技术。同时，本研究还对于制备g-C₃N₄/g-CFs光电极过程中的PTFE添加量与降解过程中的外加偏压进行了优化，确定了150 ul PTFE黏连的光电极在外加2V偏压的条件下对于新型有机污染物的去除效果最为高效、稳定。此外，实验表明g-C₃N₄/g-CFs光电极对于不同初始浓度的污染物均有较强的降解效果，表明这项技术在利用太阳光的条件下可应用于工业污水处理、污水深度处理与生态修复等多种场合，实现新兴有机污染物的高效率、低能耗控制。

图3 光电催化效果检验

图4 不同偏压对于降解效果的影响

                                     图5 不同PTFE对于降解效果的影响

图6 光电极对于不同初始浓度污染物的控制效果