PANI@CHNs双功能阴极氧还原活性调控及其选择性降解PFOS机理研究
批准号:
22106099
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
余方可
依托单位:
学科分类:
水污染与控制化学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
余方可
中文摘要
全氟辛烷磺酸(PFOS)是分子结构稳定且难降解有机污染物,电化学法虽然能实现PFOS降解,但其氧还原活性和电极选择性差导致能耗高效率低。为此本项目研究开发高效产自由基并对PFOS选择性能优异的双功能氮掺杂碳纳米角电极(PANI@CHNs),基于氧还原活性强化研究,提出电子转移协同阴极氧还原产·OH降解的新思路。从电子转移和电极微界面调控耦合作用的角度,利用氮原子掺杂特性、氢键作用和CHNs曲率效应,来强化·OH的产生、PFOS的定向迁移及电子转移。通过研究氮原子位点特性和电极缺陷结构效应,揭示氧还原反应活性调控机制;探究氮掺杂与碳纳米角复合效应对·OH产生的强化作用,揭示碳纳米角曲率效应协助氢键作用对PFOS定向迁移和靶向吸附机制;考察PFOS在电极微界面上的电子转移-自由基反应过程,揭示PANI@CHNs选择性降PFOS新机制,为突破电化学降解PFOS瓶颈问题提供技术手段和奠定理论基础。
英文摘要
Perfluorooctane sulfonic acid (PFOS) is an organic pollutant with stable molecular structure and difficult to degrade. Although PFOS can be degraded by electrochemical method, its oxygen reduction activity and poor electrode selectivity lead to low energy consumption and high efficiency. For this reason, this project developed a bifunctional nitrogen-doped carbon nanohorn electrode (PANI@CHNs) with excellent performance for PFOS. Based on the enhancement of oxygen reduction activity, a new idea of electron transfer synergistic cathodic oxygen reduction ·OH degradation was proposed. From the perspective of electron transfer and electrode micro-interface regulation coupling, nitrogen atom doping characteristics, hydrogen bonding and CHNs curvature effect were used to enhance the generation of ·OH, PFOS directional migration and electron transfer. The regulation mechanism of oxygen reduction activity was revealed by studying the characteristics of nitrogen atom site and the effect of electrode defect structure. To explore the strengthening effect of the composite effect of nitrogen doping and carbon nanohorn on ·OH production, and reveal the mechanism of hydrogen bonding on PFOS directional migration and targeted adsorption assisted by the curvature effect of carbon nanohorn. The electron transfer - free radical reaction process of PFOS at the electrode micro-interface was investigated to reveal a new mechanism of PANI@CHNs selective degradation of PFOS, which provided a technical means and laid a theoretical foundation for breaking the bottleneck of electrochemical degradation of PFOS.
全氟类化合物(PFOS)是分子结构稳定且难降解有机污染物,电化学法虽然能一定程度实现其降解,但其氧还原活性和电极选择性差导致能耗高效率低。本项目提出电子转移协同阴极氧还原产·OH是PFOS降解的新思路,通过深入研究氧还原反应活性的强化机制,分析PFOS电子转移电位与阴极氧还原电位的匹配关系及费米能级变化,建立氧还原活性对PFOS发生电子转移的影响规律;并针对PFOS电子转移及磺酸基特性,研究设计高效产·OH并对PFOS降解选择性能优异的阴极材料,构建了非金属催化H2O2产·OH的电化学体系。.本项目分别对比了碳毡阴极(GF)、纳米材料改性碳毡阴极(GF- GE)和苯胺聚合氮掺杂阴极(GF-GE@PANI)体系产生H2O2的量分别为11 mg L-1、70 mg L-1和180 mg L-1。苯胺聚合氮掺杂提高了H2O2的产率,聚苯胺的电解沉积使H2O2迅速转化为•OH。证明了氮掺杂提供的N原子为石墨N,是生成H2O2的活性催化位点。在GF和GF- GE体系中,去除率分别为24.1%和49.8%。GF-GE@PANI系统在160 min内达到100%去除率。实验证明,吡啶N富集PANI为提高H2O2转化为•OH和原位降解有机污染物提供了许多活性位点,为废水处理提供了解决方案。.进一步通过明确吡啶型氮和石墨型氮掺杂位点和形态,在其协同优化氧还原活性的同时,取代 Fe2+作为催化剂将H2O2原位转化为·OH,并利用电极表面的羟基与PFOS的磺酸基形成氢键作用,使PFOS向电极进行定向迁移,实现PFOS靶向吸附从而选择性降解。本项目揭示了(1)氮掺杂碳纳米电极氧还原反应活性强化机制:分析了氮原子形态特性对氧还原反应过程中电子传递和催化效应,从而明确吡啶型氮与石墨型氮活性位点的分布对氧还原产H2O2并转化为·OH的空间效应及协同作用机制;(2)PANI@CNHs双功能阴极靶向吸附并选择性降解关联机制:明确了碳纳米材料曲率效应协助氢键作用对PFOS定向迁移的产生机制及强化作用,从而明确了电子转移和阴极氧还原产·OH协同降解PFOS的构效关系。为氮掺杂碳纳米阴极选择性降解PFOS提供理论指导与技术基础。
国内基金
海外基金