泡沫Cu-Zn电极电催化还原硝酸盐氮

尤仁金,孟 朔,刘田田,赵海舰,陈志冬,叶 蕾,赵贤广

(南京工业大学 环境科学与工程学院,江苏 南京 211800)

1 实验部分

1.1 实验装置与主要试剂

连续流反应装置由MS1515D型直流稳压电源、亚克力长方体电解槽(有效容积为500 mL)、阴极、阳极、ZNCL-BS180型智能磁力搅拌器和雷磁pHS-25型pH计组成。NaNO3、NaNO2、Na2SO4、NaCl、H2SO4，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。泡沫铜，银孚制品有限公司,孔径为0.013 mm。

1.2 电极制备

采用碱性锌酸盐镀锌法制备泡沫Cu-Zn电极。以纳米ZnO为主盐,NaOH为主要配位化合剂,四水合酒石酸钾钠和乙二胺四乙酸二钠做辅助配位化合剂配制电沉积液,配制过程中有挥发性气体溢出,全程在通风橱内进行。将泡沫铜裁剪为100 mm×50 mm,依次经酸洗、乙醇超声、去离子水冲洗,去掉表层氧化层和油脂;将处理好的泡沫铜浸渍于配制好的电沉积液中,以石墨为阳极,泡沫铜为阴极进行电沉积实验制得泡沫Cu-Zn电极。将制备好的泡沫Cu-Zn电极用去离子水清洗至表面为中性,然后放置于真空干燥箱中烘干备用。

1.3 电化学还原-N

1.4 分析方法

1.5 计算方法

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2 结果与讨论

2.1 阴极材料的表征

图1为泡沫铜电极SEM测试结果和泡沫Cu-Zn电极SEM、EDS及XRD测试结果。由图1(a)和1(b)可知:泡沫铜电极表面含有大量空隙,相比较一般的铜极板而言泡沫铜有很大的比表面积,且经预处理后可以大大增强Zn与泡沫铜活性层之间的结合力。由图1(c)和1(d)可见：泡沫Cu-Zn电极表面大面积覆盖着沉积物,进一步放大可以看到沉积物为小颗粒絮状结构且分布密集,可知泡沫铜表面成功镀上了纳米颗粒。由1(e)可知:电极上主要含有Cu、Zn元素,通过计算得到Cu和Zn的质量分数分别为99%和1%，其中Cu主要来源于基体,Zn主要来自电沉积液。

由图1(f)可知：在衍射角2θ为36.29°、38.99°、43.20°、54.30°、70.10°、82.10°处出现Zn的衍射峰,分别对应(100)、(101)、(102)、(103)、(112)晶面;在2θ为43.32°、50.45°、74.12°出现Cu的衍射峰,对应的晶面分别为(111)、(200)、(220)。因此，泡沫铜表面镀上的纳米颗粒为纳米Zn,且没有检测到其他衍射峰,表明没有其他化合物存在。

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图1 电极的SEM、EDS、XRD测试结果Fig.1 SEM images, EDS and XRD patterns of electrode

阴极副反应为还原析氢反应，见式(11)。

2H2O+2e-→H2↑+2OH-

(11)

在没有其他离子存在的条件下,阳极反应主要产生O2,见式(12)。

4OH-→O2↑+2H2O+4e-

(12)

因此,电极的总反应见式(13)。

4NaNO3+2H2O→2N2↑+5O2+4NaOH

(13)

2.3 电流密度对-N还原效果的影响

图2 电流密度对脱氮效果的影响Fig.2 Effects of current density on denitrification

2.4 不同初始pH对-N还原效果的影响

图3 pH对脱氮效果的影响Fig.3 Effects of pH on denitrification

2.5 Cl-浓度对-N还原效果的影响

2Cl-→Cl2+2e-

(14)

Cl2+H2O→H++Cl-+HClO

(15)

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(17)

图4 NaCl添加量对脱氮效果的影响Fig.4 Effects of NaCl supplemental amount on denitrification

3 结论

2)通过对电极的SEM、EDS和XRD表征发现,Zn纳米颗粒成功地负载在了泡沫铜表面上,分布密集。EDS确认了泡沫铜电极上Zn元素的存在,XRD排除了其他化合物存在。