电催化氧化技术ppt.ppt

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1、电催化技术电催化技术 （Technology of ElectrocatalysisTechnology of Electrocatalysis)第四组：陈良涛，李祎奔，王劲松，陈哲，李鑫，詹宇航主主 要要 内内 容容一一.电化学电化学二二.电催化的定义及特点电催化的定义及特点三三.电催化去除污染物的基本原理电催化去除污染物的基本原理四四.电催化电极与电极材料的种类电催化电极与电极材料的种类五五.电催化废水处理反应器形式及应用电催化废水处理反应器形式及应用六六.电催化技术的优点、局限性及展望电催化技术的优点、局限性及展望一一.电电 化化 学学l电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。电

2、化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。原电池：化学能转化为电能原电池：化学能转化为电能电解池：电能转化为化学能电解池：电能转化为化学能 l转化条件：转化条件：1.涉及的化学反应必须有电子的转移涉及的化学反应必须有电子的转移 氧化还原反应。氧化还原反应。2.化学反应必须在电极上进行化学反应必须在电极上进行原电池组成：原电池组成：原电池组成：原电池组成：原电池原电池原电池原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。电极电极负极：电子流出的一极，负极：电

3、子流出的一极，发生氧化反应。发生氧化反应。正极正极：电子流入的一电子流入的一极极，发生还原反应。发生还原反应。盐桥盐桥盐桥中装有饱和的盐桥中装有饱和的KCl溶液和溶液和琼脂制成的胶冻。琼脂制成的胶冻。铜锌原电池铜锌原电池（丹尼尔电池）（丹尼尔电池）电电 解：在外电源的作用下被迫解：在外电源的作用下被迫 发生的氧化还原过程。发生的氧化还原过程。电解池：将电能转变为化学能的电解池：将电能转变为化学能的 装置。装置。电解电解NaOH的电解池的电解池阳极：与正极相联阳极：与正极相联阴极：与负极相联阴极：与负极相联（抽走电子）（抽走电子）（供给电子）（供给电子）根据离子迁移的方向，又分为：根据离子迁移的

4、方向，又分为：阴极：是阳离子移向的一极阴极：是阳离子移向的一极阳极：是阴离子移向的一极阳极：是阴离子移向的一极二.电催化的定义及特点2.1定义：在电场作用下，存在于电极表面或溶液相中的修饰物在电场作用下，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。或溶液相中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作用。2.2 电催化的特点：电催化的特点：1.在在常常规规的的化化学学催催化化作作用用中中，反反应应物物和和催催化化剂剂之之间间的的电电子子传传递递是是在在限限定定区区域

5、域内内进进行行的的。因因此此，在在反反应应过过程程中中，既既不不能能从从外外电电路路中中送送入入电电子子，也也不不能能从从反反应应体体系系导导出出电电子子或或获得电流；获得电流；在在电电极极催催化化反反应应中中有有纯纯电电子子的的转转移移。电电极极作作为为一一种种非非均均相相催催化化剂剂既既是是反反应应场场所所，又又是是电电子子的的供供受受场场所所，即即电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。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.在在常常规规化化学学催催化化反反应应中中，电电子子的的转转移移过过程程无无法法从从外外部部加以控制；加以控制；电电催催化化反反应应过

6、过程程中中可可以以利利用用外外部部回回路路控控制制电电流流，使使反反应应条条件件、反反应应速速度度比比较较容容易易控控制制，并并可可以以实实现现一一些些剧剧烈烈的电解和氧化的电解和氧化-还原反应的条件。还原反应的条件。电电催催化化反反应应输输出出的的电电流流则则可可以以用用来来作作为为测测定定反反应应速速度快慢的依据度快慢的依据 与电化学相比与电化学相比 电电催催化化反反应应在在电电化化学学反反应应的的基基础础之之上上，主主要要是是在在电电极极上上修修饰饰表表面面材材料料及及化化学学材材料料来来产产生生强强氧氧化化性性的的活活性性物物种种，从从而而提高其降解有机物的能力；提高其降解有机物的能力

7、；电电化化学学反反应应只只是是简简单单电电极极上上的的反反应应，其其处处理理效效率率明明显显比比电电催化反应低。催化反应低。电化学还原电化学还原电化学还原电化学还原直接还原直接还原直接还原直接还原间接还原间接还原间接还原间接还原电化学氧化电化学氧化电化学氧化电化学氧化直接氧化直接氧化直接氧化直接氧化间接氧化间接氧化间接氧化间接氧化电化学转换电化学转换电化学转换电化学转换电化学燃烧电化学燃烧电化学燃烧电化学燃烧三三.电催化去除污染物的基本原理电催化去除污染物的基本原理电凝聚作用电凝聚作用电凝聚作用电凝聚作用电浮选电浮选电浮选电浮选光电化学氧化光电化学氧化光电化学氧化光电化学氧化直接还原：污染物直

8、接在阴极上得到电子而发生还原。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：基本反应式为：M2+2e-M。许许多多金金属属的的回回收收即即属属于于直直接接还还原原过过程程，同同时时该该法法可可使使多多种种含含氯氯有有机机物物转转变变成成低低毒毒性性物物质质，提提高高产产物物的的可可生生物物降降解解性。性。如：如：R-Cl+H+2e-R-H+Cl-。3.1 电化学还原电化学还原 间间接接还还原原：利利用用电电化化学学过过程程中中生生成成的的一一些些还还原原性性物物质质如如Ti3+，V2+和和Cr2+将将污污染染物物还还原原去去除除，如如二二氧氧化化硫硫的的间间接接电电化学还原可转

9、化成单质硫：化学还原可转化成单质硫：SO2+4Cr2+4H+S+4Cr3+2H2O l l直直直直接接接接氧氧氧氧化化化化：污污污污染染染染物物物物直直直直接接接接在在在在阳阳阳阳极极极极失失失失去去去去电电电电子子子子而而而而发发发发生生生生氧氧氧氧化化化化，有有有有机机机机物物物物的直接电催化氧化分两类进行。的直接电催化氧化分两类进行。的直接电催化氧化分两类进行。的直接电催化氧化分两类进行。l l （1 1）电电电电化化化化学学学学转转转转换换换换即即即即把把把把有有有有毒毒毒毒物物物物质质质质转转转转变变变变为为为为无无无无毒毒毒毒物物物物质质质质，或或或或把把把把难难难难生生生生化化化

10、化的的的的有有有有机机机机物物物物转转转转化化化化为为为为易易易易生生生生化化化化的的的的物物物物质质质质（如如如如芳芳芳芳香香香香物物物物开开开开环环环环氧氧氧氧化化化化为为为为脂肪酸），以便进一步实施生物处理；脂肪酸），以便进一步实施生物处理；脂肪酸），以便进一步实施生物处理；脂肪酸），以便进一步实施生物处理；l l （2 2）电化学燃烧）电化学燃烧）电化学燃烧）电化学燃烧即直接将有机物深度氧化为即直接将有机物深度氧化为即直接将有机物深度氧化为即直接将有机物深度氧化为COCO2 2。l l 有有有有研研研研究究究究表表表表明明明明，有有有有机机机机物物物物在在在在金金金金属属属属氧氧氧氧化

11、化化化物物物物阳阳阳阳极极极极上上上上的的的的氧氧氧氧化化化化反反反反应应应应机机机机理理理理和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。和产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。3.2电化学氧化电化学氧化 在在金金属属氧氧化化物物MOx阳阳极极上上生生成成的的较较高高价价金金属属氧氧化化物物MOx+1有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物；有利于有机物选择性氧化生成含氧化合物；在在MOx阳阳极极上上生生成成的的自自由由基基MOx(OH)有有利利于于有有机机物物氧氧化化燃燃烧

12、生成烧生成CO2。具具体体反反应应机机理理如如下下：在在氧氧析析出出反反应应的的电电位位区区，金金属属氧氧化化物物表表面面可可能能形形成成高高价价态态氧氧化化物物，因因此此在在阳阳极极上上存存在在两两种种状状态态的的活活性性氧，即吸附的氢氧自由基和晶格中高价态氧化物的氧。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阳极表面氧化过程分两阶段进行 首先溶液中的首先溶液中的H2O或或OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基在阳极上形成吸附的氢氧自由基:MOx+H2O MOx(OH)+H+e-然然后后吸吸附附的的氢氢氧氧自自由由基基中中的的氧氧转转移移给给金金属属氧氧化化物物晶

13、晶格格，形成高价氧化物：形成高价氧化物：MOx(OH)MOx+1+H+e-当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出当溶液中不存在有机物时，两种状态的活性氧发生氧析出反应：反应：反应：反应：MOMOx x(OH)O(OH)O2 2+MO+MOx x+H+H+e+e-MOMOx+1x+1 MO MOx x+O+O2 2 当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物当溶液中存在可氧化的有机物R R时，反应如下时，反应如下时，反应如下时，反应如下:R+MOR+

14、MOx x(OH)CO(OH)CO2 2+MO+MOx x+H+H+e+e-R+MO R+MOx+1x+1 MO MOx x+RO+RO 在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中，在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中，在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中，在含氰化物、含酚、含醇、含氮有机染料的废水处理中，直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。直接电化学氧化发挥了非常有效的作用。间间接接氧氧化化：通通过过阳阳极极反反应应生生成成具具有有强强氧氧化化作作用用的的中中间间产产物物或或发发生生阳阳极极

15、反反应应之之外外的的中中间间反反应应生生成成的的中中间间物物质质（OH、O2、HO2等等自自由由基基），氧氧化化被被处处理理污污染染物物，最最终达到氧化降解污染物的目的。终达到氧化降解污染物的目的。为为了了得得到到高高的的转转化化效效率率，电电催催化化氧氧化化还还原原作作用用过过程程必必须须满足以下要求：满足以下要求：（1）氧氧化化还还原原剂剂的的生生成成电电位位必必须须不不靠靠近近析析氢氢或或析析氧氧反反应应的电位；的电位；（2）氧化还原剂的产生速度足够大；）氧化还原剂的产生速度足够大；（3）氧氧化化还还原原剂剂与与污污染染物物的的反反应应速速度度比比其其他他竞竞争争反反应应的的大；大；（4

16、）其他物质（或污染物）在电极上的吸附小）其他物质（或污染物）在电极上的吸附小。在在电电解解过过程程当当中中，如如果果采采用用铝铝质质或或铁铁质质的的可可溶溶性性阳阳极极，通通以以直直流流电电后后，阳阳极极材材料料会会在在电电解解过过程程当当中中发发生生溶溶解解，形形成成金金属属阳阳离离子子Fe3+、Al3+等等，与与溶溶液液中中的的粒粒子子形形成成具具有有絮絮凝凝作作用用的的胶胶体体物物质质，这这些些物物质质可可促促使使水水中中的的胶胶态态杂杂质质絮絮凝凝沉沉淀淀，从从而实现污染物的去出。而实现污染物的去出。3.3 电凝聚作用电凝聚作用在在对对废废水水进进行行电电化化学学处处理理过过程程中中，

17、通通过过电电极极反反应应在在阴阴极极和和阳阳极极上上分分别别析析出出H2和和O2，产产生生直直径径很很小小（约约815m）、分分散散度度很很高高的的气气泡泡，作作为为载载体体吸吸附附系系统统中中的的胶胶体体微微粒粒及及悬悬浮浮固固体体上上浮浮，在在水水面面形形成成泡泡漠漠层层，用用机机械械方方法法加加以以去去除除，从而达到分离污染物的目的。从而达到分离污染物的目的。可可通通过过调调节节电电流流、电电极极材材料料、pH值值和和温温度度可可改改变变产产气气量量及及气泡大小，满足不同需要。气泡大小，满足不同需要。3.4 电浮选电浮选在在电电场场作作用用下下，以以光光催催化化剂剂作作为为电电化化学学催

18、催化化电电极极，使使阳阳极极发发生生电电催催化化作作用用对对阳阳极极槽槽中中的的有有机机物物进进行行催催化化降降解解的的同同时时，并并在在紫紫外外光光作作用用下下，降降解解污污染染物物，从从而而大大大大提提高高了对难降解有机物的催化降解效率。了对难降解有机物的催化降解效率。3.5 光电化学氧化光电化学氧化四四.电电催催化化电电极极与与电电极极材材料料的的种种类类 1.1.催化电极的种类催化电极的种类 主要分为两大类：二维电极；三维电极；主要分为两大类：二维电极；三维电极；（流化床电极）（流化床电极）a.二维电催化电极二维电催化电极 应用最广泛的是应用最广泛的是DSA类电极。类电极。DSA电电极

19、极以以特特殊殊工工艺艺在在金金属属基基体体（如如Ti，Zr，Ta，Nb等等）上上沉沉积积一一层层微微米米或或亚亚微微米米级级的的金金属属氧氧化化物物薄薄膜膜（如如SnO2，IrO2，RuO2，PbO2等）而制备的稳定电极。等）而制备的稳定电极。DSA类类电电极极通通过过改改进进材材料料及及涂涂层层结结构构提提供供了了较较高高的的析析氧氧过过电位，防止阳极氧气的析出，提高其电流效率。电位，防止阳极氧气的析出，提高其电流效率。优优优优点点点点：由由由由于于于于DSADSA类类类类电电电电极极极极的的的的化化化化学学学学和和和和电电电电化化化化学学学学性性性性质质质质能能能能够够够够随随随随着着着着

20、氧氧氧氧化化化化物物物物膜膜膜膜的的的的材材材材料料料料组组组组成成成成和和和和制制制制备备备备方方方方法法法法而而而而改改改改变变变变，因因因因而而而而能能能能够够够够获获获获得得得得良良良良好的稳定性和催化活性。好的稳定性和催化活性。好的稳定性和催化活性。好的稳定性和催化活性。缺缺缺缺点点点点：有有有有效效效效电电电电极极极极面面面面积积积积很很很很小小小小，传传传传质质质质差差差差，导导导导致致致致单单单单位位位位时时时时空空空空处处处处理理理理效率较低。效率较低。效率较低。效率较低。b.三维电催化电极三维电催化电极 定定义义：在在原原有有的的二二维维电电极极之之间间装装填填粒粒状状或或

21、其其他他屑屑状状工工作作电电极极材材料料，致致使使装装填填电电极极表表面面带带电电，在在工工作作电电极极材材料料表表面面发生电化学反应。发生电化学反应。优优点点：面面积积比比较较大大且且能能以以较较低低的的电电流流密密度度提提供供较较大大的的电电流流强强度度；粒粒子子之之间间间间距距小小，物物质质传传质质极极大大改改善善；单单位位时时空空产产率率和和电电流流效效率率均均极极大大提提高高，尤尤其其对对低低电电导导率率废废水水，其其优优势更是明显。势更是明显。（2）电极材料的种类）电极材料的种类 a.金属电极金属电极 金金属属电电极极是是指指以以金金属属作作为为电电极极反反应应界界面面的的裸裸露露

22、电电极极，除除碱碱金金属属和和碱碱土土金金属属外外，大大多多数数金金属属作作为为电电化化学学电电极极均均有很多研究报道。有很多研究报道。b.碳素电极碳素电极 由由元元素素碳碳组组成成的的电电极极的的总总称称。可可分分为为天天然然石石墨墨电电极极、人造石墨电极、碳电极以及特种碳素电极等四类。人造石墨电极、碳电极以及特种碳素电极等四类。c.金属氧化物电极金属氧化物电极 导导电电金金属属氧氧化化物物电电极极具具有有重重要要的的电电催催化化特特性性，这这类类电电极极大多为半导体材料。大多为半导体材料。d.非金属化合物电极非金属化合物电极 一一般般所所说说的的非非金金属属电电极极是是指指硼硼化化物物、碳

23、碳化化物物、氮氮化化物物、硅硅化化物物、氯氯化化物物等等。非非金金属属材材料料作作为为电电极极材材料料，最最大大的的优优势势在在于于这这类类材材料料的的特特殊殊物物理理性性质质，如如高高熔熔点点、高高硬硬度度、高高耐磨性、良好的耐腐蚀性以及类似金属的性质等。耐磨性、良好的耐腐蚀性以及类似金属的性质等。2.催化电极的性能催化电极的性能 电电极极在在电电化化学学处处理理技技术术中中处处于于“心心脏脏”的的地地位位，电电极极的的电电催催化化特特性性是是电电催催化化技技术术的的核核心心内内容容，即即希希望望电电极极对对目目标标有机物表现出高的反应速率，并且有好的选择性。有机物表现出高的反应速率，并且有

24、好的选择性。催催化化电电极极的的功功能能：既既能能导导电电，又又能能对对反反应应物物进进行行活活化化，提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。提高电子的转移速率，对电化学反应进行某种促进和选择。良好的电催化电极应该具备下列几项性能：良好的电催化电极应该具备下列几项性能：（1 1）良良好好的的导导电电性性：至至少少与与导导电电材材料料（例例如如石石墨墨）结结合合后后能能为为电电子子交交换换反反应应提提供供不不引引起起严严重重电电压压降降的的电电子子通通道，即电极材料的电阻不能太大；道，即电极材料的电阻不能太大；（2 2）高高的的催催化化活活性性：即即能能够够实实现现所所需需要要的的催

25、催化化反反应应，抑制不需要或有害的副反应；抑制不需要或有害的副反应；（3）良良好好的的稳稳定定性性：能能够够耐耐受受杂杂质质及及中中间间产产物物的的作作用用而而不不致致较较快快地地被被污污染染（或或中中毒毒）而而失失活活，并并且且在在实实现现催催化化反反应应的的电电势势范范围围内内催催化化表表面面不不至至于于因因电电化化学学反反应应而而过过早早失失去去催化活性；催化活性；（4）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。电电极极材材料料的的性性质质是是决决定定电电极极催催化化特特性性的的关关键键因因素素。电电极极材材料料的的不不同同可可以以使使反反

26、应应速速度度发发生生数数量量级级的的变变化化。改改变变电电极极材材料料的的性性质质，既既可可以以通通过过变变换换电电极极基基体体材材料料来来实实现现，也也可可以以用用有有电电催催化化性性能能的的涂涂层层对对电电极极表表面面进进行行修修饰饰改改性性而而实实现现。电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。3.电催化电极的组成及结构电催化电极的组成及结构 催催化化剂剂之之所所以以能能改改变变电电极极反反应应的的速速率率，是是由由于于催催化化剂剂与与反反应应物物之之间间存存在在的的某某种种相相互互作作用用改改变变了了反反应应进进行行的的途途径径，降

27、降低低了了反反应应的的活活化化能能。在在电电催催化化过过程程中中，催催化化反反应应是是发发生生在在催催化化电电极极/电电解解液液的的界界面面，即即反反应应物物分分子子必必须须与与电电催催化化电电极极发发生生相相互互作作用用，而而相相互互作作用用的的强强弱弱则则主主要要决决定定于于催催化化电电极表面的结构和组成。极表面的结构和组成。（1）表面材料）表面材料 电电极极对对催催化化剂剂的的要要求求满满足足：反反应应表表面面积积要要大大；有有较较好好的的导导电电能能力力；吸吸附附选选择择性性强强；在在使使用用环环境境下下的的长长期期稳稳定定性性；机械性能好；资源丰富且成本低；环境友好。机械性能好；资源

28、丰富且成本低；环境友好。目目前前已已知知电电催催化化电电极极表表面面材材料料主主要要涉涉及及过过渡渡金金属属及及半半导导体化合物。体化合物。a.过过渡渡金金属属：由由于于过过渡渡金金属属的的原原子子结结构构中中有有空空余余的的d轨轨道道和和未未成成对对的的d电电子子，通通过过含含过过渡渡金金属属的的催催化化剂剂与与反反应应物物分分子子的的电电子子接接触触，这这些些催催化化剂剂空空余余d轨轨道道上上将将形形成成各各种种特特征征的的吸吸附附键键达达到到分分子子活活化化的的目目的的，从从而而降降低低了了复复杂杂反反应应的的活活化化能能，达达到到电电催催化化目目的的，因因此此，过过渡渡金金属属及及其其

29、一一些些化化合合物物本本身身具具有有较好的催化活性较好的催化活性。b.半半导导体体化化合合物物：由由于于半半导导体体的的特特殊殊能能带带结结构构，其其电电极极/溶溶液液界界面面具具有有一一些些不不同同于于金金属属电电极极的的特特殊殊性性质质，由由于于产产物物不不易易被被吸吸附附在在电电极极表表面面，本本身身电电极极表表面面的的氧氧化化速速率率高高于于一一般般电电极极，因因此此在在电电催催化化问问题题的的研研究究中中，半半导导体体化化合合物物占占有有特特殊殊重重要要的的位置。位置。（2）基础电极基础电极 基基础础电电极极：也也叫叫电电极极基基质质，是是指指具具有有一一定定强强度度、能能够够承承载

30、载催催化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳电极。化层的一类物质。一般采用贵金属电极和碳电极。基础电极无电催化活性，只承担着作为电子载体的功能。基础电极无电催化活性，只承担着作为电子载体的功能。高的机械强度；高的机械强度；良好的导电性；良好的导电性；与电催化组成材料有一定的亲和性。与电催化组成材料有一定的亲和性。（3）载体载体 基基础础电电极极与与电电催催化化涂涂层层有有时时亲亲和和力力不不够够，致致使使电电催催化化涂涂层层易脱落，严重影响电极寿命。易脱落，严重影响电极寿命。电电催催化化电电极极的的载载体体：一一类类起起到到将将催催化化物物质质固固定定在在电电极极表表面面，且且维维持持一一定定

31、强强度度的的一一类类物物质质，对对电电极极的的催催化化性性能能也也有有很很大大影影响。响。常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。载载体体必必须须具具备备良良好好的的导导电电性性及及抗抗电电解解液液腐腐蚀蚀的的性性能能，其其作作用用可可分分为为两两种种情情况况：支支持持和和催催化化，相相应应地地可可以以将将载载体体分分为为两两种情况种情况：（1）支支持持性性载载体体：仅仅作作为为一一种种惰惰性性支支撑撑物物，只只参参与与导导电电过过程，对催化过程不做任何贡献；程，对催化过程不做任何贡献；催化物质负载条件不同只会引起活性组分分散度的变化催化物质负载条件不同

32、只会引起活性组分分散度的变化 （2）催催化化性性载载体体：载载体体与与负负载载物物存存在在某某种种相相互互作作用用，这这种种相相互互作作用用的的存存在在修修饰饰了了负负载载物物质质的的电电子子状状态态，其其结结果果可可能能会会显显著著改改变变负负载载物物质质的的活活性性和和选选择择性性。同同时时，载载体体与与负负载载物物之之间间的的结结合合程程度度是是影影响响电电催催化化电电极极性性能能的的重重要要因因素素（影影响响电电极极的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。例：例：Pt-WO3，Ti-SnO2-PbO2（4）电极表面结构 电电催催化化电电极

33、极的的表表面面微微观观结结构构和和状状态态是是影影响响电电催催化化性性能能的的重重要要因因素之一，而电极的制备方法直接影响到电极的表面结构。素之一，而电极的制备方法直接影响到电极的表面结构。目目前前电电催催化化电电极极的的主主要要制制备备方方法法有有热热解解喷喷涂涂法法、浸浸渍渍法法（或或涂涂刷刷法法）、物物理理气气相相沉沉积积法法（PVD）、化化学学气气相相沉沉积积法法（CVD）、电沉积法、电化学阳极氧化法，以及溶胶凝胶法等。电沉积法、电化学阳极氧化法，以及溶胶凝胶法等。为为了了增增大大单单位位体体积积的的有有效效反反应应面面积积，改改善善传传质质，用用于于三三维维电电极极的各种新材料相继问

34、世，如金属碳复合电极，碳纳米管材料等。的各种新材料相继问世，如金属碳复合电极，碳纳米管材料等。总总之之，无无论论是是提提高高催催化化活活性性还还是是提提高高孔孔积积率率、改改善善传传质质，改改进进电电极极表表面面微微观观结结构构都都是是一一个个重重要要手手段段，因因而而电电极极的的制制备备工工艺艺绝绝对对是非常关键的一个环节。是非常关键的一个环节。4.电解质电解质 支支持持电电解解质质：加加入入到到有有机机废废水水的的电电化化学学处处理理体体系系中中，可可以以增增强溶液导电性，使有机物的降解反应顺利发生的电解质盐。强溶液导电性，使有机物的降解反应顺利发生的电解质盐。基本要求：基本要求：（1）当

35、量电导率大：降低电阻，减少能耗；）当量电导率大：降低电阻，减少能耗；（2）性性质质稳稳定定：不不参参与与电电化化学学反反应应，也也不不与与有有机机物物反反应应，避免能量损耗，降低电流效率；避免能量损耗，降低电流效率；（3）无毒无害，且易于去除；）无毒无害，且易于去除；（4）不不在在电电极极表表面面发发生生特特性性吸吸附附：避避免免降降低低电电极极的的有有效效反反应面积。应面积。五五.电催化废水处理反应器形式及应用电催化废水处理反应器形式及应用1.电催化废水处理反应器形式2.电催化技术在废水处理中的应用3.影响电催化氧化效率的因素1.电催化废水处理反应器形式电催化废水处理反应器形式l电化学反应器

36、种类繁多、结构复杂、不同的应用领域，所应用的反应器结构和形式均不完全一样，其中，反应器结构和电极结构是影响电化学应用中电流效率的重要因素之一。l电化学反应器分为二维反应器和三维反应器，如下表：2.电催化技术在废水处理中的应用电催化技术在废水处理中的应用国内状况：国内状况：电化学水处理技术的研究应用和国外相比比较分散、不电化学水处理技术的研究应用和国外相比比较分散、不系统。系统。（1）重金属的去除和含氰废水的处理；）重金属的去除和含氰废水的处理；（2）染料工业废水；）染料工业废水；（3）工业废水；）工业废水；（4）啤酒厂废水）啤酒厂废水国外状况：国外状况：在在国国外外，用用电电化化学学水水处处理

37、理技技术术处处理理有有机机废废水水的的研研究究非非常常多。多。（1）制革废水；）制革废水；（2）印染废水；）印染废水；（3）甲醛废水）甲醛废水（4）垃圾渗滤液）垃圾渗滤液电电化化学学过过程程可可以以有有效效地地破破坏坏大大分分子子有有机机物物，并并降降低低其其毒毒性，处理后的废水可生化降解性提高。性，处理后的废水可生化降解性提高。3.影响电催化效率的因素影响电催化效率的因素 影影响响电电催催化化效效率率的的因因素素主主要要包包括括四四个个方方面面：电电极极材材料料、电电解解质质溶溶液液、废废水水的的理理化化性性质质和和工工艺艺因因素素（电电化化学学反反应应器器的的结结构构、电电流流密密度度、通

38、通电电量等）。量等）。（1）电极材料）电极材料 电电极极材材料料选选择择的的好好坏坏，直直接接影影响响有有机机物物降降解解效效率率的的高高低低（高高电电势）势）尽量避免竞争副反应（析氧反应）尽量避免竞争副反应（析氧反应）不同的电极材料可引起电化学反应速度发生数量级上的变化不同的电极材料可引起电化学反应速度发生数量级上的变化 研制高电催化活性的电极材料研制高电催化活性的电极材料 为为了了提提高高电电极极的的催催化化活活性性，一一般般都都对对电电极极进进行行修修饰饰，其其方方法法有有：a.在在电电解解液液中中添添加加有有催催化化作作用用的的物物质质；b.将将电电极极改改为为活活性性高高的的材材料料

39、；c.对对电电极极材材料料表表面进行修饰。面进行修饰。对电极进行掺杂是改变电极材料组成及其性能的常用的一类方法。对电极进行掺杂是改变电极材料组成及其性能的常用的一类方法。例：掺杂例：掺杂Sb的的SnO2电极的导电能力及催化氧化性能都有了很大提高。电极的导电能力及催化氧化性能都有了很大提高。掺杂的掺杂的SnO2电极对析氧反应具有极高的过电位，电极对析氧反应具有极高的过电位，较高的电流效率较高的电流效率 卤卤素素和和有有机机卤卤代代物物有有较较强强的的阻阻滞滞作作用用，减减小小了了处处理理过过程程中中形形成成有有毒毒卤卤代化合物的可能性。代化合物的可能性。（2）电解质溶液）电解质溶液 a.电解质溶

40、液的浓度电解质溶液的浓度 溶液浓度太低，电流小，降解速率低溶液浓度太低，电流小，降解速率低 随随着着电电解解质质溶溶液液浓浓度度的的增增加加，溶溶液液的的导导电电能能力力增增强强，电电压压效效率率提提高高。但但电电解解质质浓浓度度达达到到一一定定浓浓度度后后，电电压压效效率的提高趋于平缓，若再加大投入量会增加处理费用率的提高趋于平缓，若再加大投入量会增加处理费用 b.电解质的种类电解质的种类 Na2S04：惰惰性性电电解解质质，电电解解过过程程中中不不参参与与反反应应，只只起起导导电电作作用用，电电解解效率的高低仅与其浓度有关；效率的高低仅与其浓度有关；NaCl：在在电电解解过过程程中中参参与

41、与电电极极反反应应，Cl-在在阳阳极极氧氧化化，进进而而转转变变成成HClO，后后者者是是一一种种强强氧氧化化剂剂，不不但但可可以以直直接接氧氧化化有有机机物物，而而且且还还能能阻阻止止有机物（或中间产物）在电极表面的吸附（使电极活性降低）。有机物（或中间产物）在电极表面的吸附（使电极活性降低）。缺缺点点：Cl-的的加加入入也也可可以以引引起起一一些些副副反反应应，如如生生成成的的游游离离氯氯或或电电极极上上吸吸附附的的单单原原子子氯氯可可以以与与废废水水中中溶溶解解的的有有机机物物或或其其氧氧化化的的中中间间产产物物反反应应，生生成成有有毒毒且且更更难难降降解解的的有有机机氯氯化化物物；Cl

42、-在在电电极极上上的的吸吸附附影影响响有有机机物物在在电电极极上上的吸附氧化；的吸附氧化；Cl2的产生也使电流效率有所降低。的产生也使电流效率有所降低。（3）废水的理化性质）废水的理化性质 同同一一电电极极对对不不同同有有机机物物表表现现出出不不同同的的电电催催化化氧氧化化效效率；率；废废水水体体系系的的pH值值常常常常会会影影响响电电极极的的氧氧化化效效率率，而而这这种种影影响响不不仅仅与与电电极极的的组组成成有有关关，也也与与被被氧氧化化物物质质的的种种类有关；类有关；添添加加支支持持电电解解质质（如如NaCI、Na2S04）增增加加废废水水的的电导率，可减少电能消耗，提高处理效率。电导率

43、，可减少电能消耗，提高处理效率。（4）工艺因素）工艺因素 反应器：二维反应器、三维反应器反应器：二维反应器、三维反应器 电流密度电流密度 电解时间电解时间 溶液传质溶液传质 不不同同的的有有机机污污染染物物降降解解所所需需的的各各条条件件的的最最佳佳指指标标是是不不同同的的，有有必必要要深深入入研研究究有有机机物物在在电电极极上上的的氧氧化化历历程程，开开发发高高效效的的电电极极材材料料，确确定定最最佳佳的的降降解解条条件件，提提高高电电解解效效率率，降降低低水水处处理理费用。费用。六六.电催化技术的优点、局限性及展望电催化技术的优点、局限性及展望1.优点优点（1）电电子子转转移移只只在在电电

44、极极及及废废水水组组分分之之间间进进行行，不不需需要要另另外外添添加加氧氧化化还还原原试试剂剂，同同时时也也避避免免了了由由另另外外添添加加药药剂剂而而引引起的二次污染问题；起的二次污染问题；（2）可可以以通通过过改改变变外外加加电电流流、电电压压，随随时时间间调调节节反反应应条条件，可控制性较强；件，可控制性较强；（3）反反应应过过程程中中可可能能产产生生的的自自由由基基可可以以无无选选择择地地直直接接与与废废水水中中的的有有机机污污染染物物反反应应，可可将将其其降降解解为为CO2、H2O和和简简单单低分子有机物，没有或很少产生二次污染；低分子有机物，没有或很少产生二次污染；（4）能能量量效

45、效率率高高，反反应应条条件件较较温温和和，电电化化学学过过程程一一般般在在常温常压下即可进行；常温常压下即可进行；（5）反反应应器器设设备备及及其其操操作作一一般般比比较较简简单单，如如果果设设计计合合理理，费用并不昂贵；费用并不昂贵；（6）当排污规模较小时，可以进行就地处理；）当排污规模较小时，可以进行就地处理；（7）当当废废水水中中含含有有金金属属离离子子时时，阴阴、阳阳两两极极可可同同时时起起作作用用（阴阴极极还还原原金金属属离离子子，阳阳极极氧氧化化有有机机物物），使使处处理理效效率率提提高高，同同时时回回收收再再利利用用有有价价值值的的化化学学品品或或金金属属，避避免免了了二二次污染

46、；次污染；（8）兼有吸附、絮凝、杀菌作用；）兼有吸附、絮凝、杀菌作用；（9）作作为为一一种种清清洁洁工工艺艺，设设备备占占地地面面积积小小，特特别别适适合合于于人口拥挤的城市中污水的处理；人口拥挤的城市中污水的处理；（10）既既可可以以单单独独处处理理，又又可可以以与与其其他他处处理理方方法法相相结结合合，例例如如作作为为前前处处理理，可可以以将将难难降降解解有有机机物物或或生生物物毒毒性性污污染染物物转化为可降解物质，从而提高废水的可生物降解性。转化为可降解物质，从而提高废水的可生物降解性。2.局限性（1）电电解解法法处处理理有有机机污污染染物物的的机机理理探探讨讨还还很很不不充充分分，不不

47、能能对对电电极极的的选选择择、工工艺艺的的设设计计、工工艺艺参参数数的的确确立立起起到到具具体体的的理理论论指指导作用；导作用；（2）电电流流效效率率仍仍然然很很低低，经经济济上上不不合合理理。现现在在研研究究的的电电极极价价格格偏偏高高（主主要要指指各各种种贵贵金金属属电电极极或或钛钛基基电电极极），处处理理过过程程耗耗电电量量很很大大，即即实实用用化化的的电电极极材材料料不不多多，且且寿寿命命一一般般都都不不长长，因因此此处处理理的的成成本本比比较较高高，不不适适合合大大规规模模推推广广，因因此此，制制备备出出高高效效的的复合型电极是将其工业化应用的前提；复合型电极是将其工业化应用的前提；

48、（3）三三维维电电极极的的引引入入虽虽然然解解决决了了传传质质问问题题，但但又又引引起起了了床床内内电电流流和和电电压压的的分分布布问问题题，虽虽然然有有些些理理论论模模型型与与实实验验测测试试取取得得了了一一致致，但但对对指指导导实实际际应应用用来来说说还还是是不不够够的的；再再者者，三三维维电电极极的的电电极极堵堵塞塞也也是是急急需需解解决决的的问问题题之之一一，设设计计出出高高效效合合理理的的的的反反应应器器，也也是是将将其其工工业业化化推推广广应应用用所必须解决的问题。所必须解决的问题。3.展望（1）应用前景）应用前景a.在在电电解解过过程程中中产产生生强强氧氧化化性性的的物物质质，使

49、使有有机机污污染染物物均均相相或异相地被彻底氧化降解成二氧化碳和水；或异相地被彻底氧化降解成二氧化碳和水；b.把把生生物物难难降降解解的的有有机机物物通通过过电电化化学学方方法法转转化化为为易易生生物物降降解解的的有有机机小小分分子子或或把把有有毒毒有有机机物物转转变变成成无无毒毒有有机机物物，主主要要是是通通过过电电解解使使环环状状化化合合物物开开环环，生生成成易易生生物物降降解解的的脂脂肪类化合物肪类化合物。（2）研究方向（目标：工业化应用）研究方向（目标：工业化应用）a.研研制制新新型型电电极极材材料料，以以提提高高电电流流效效率率和和催催化化活活性性，实实现有机污染物低成本去除；现有机污染物低成本去除；b.深深入入研研究究电电化化学学氧氧化化机机理理，以以便便针针对对特特定定污污染染物物和和处处理要求设计制造特性电极；理要求设计制造特性电极；c.改改进进工工艺艺条条件件，以以减减少少能能量量消消耗耗，降降低低运运行行成成本本，提提高处理效率；高处理效率；d.提提高高智智能能化化水水平平，以以突突出出电电化化学学方方法法易易于于控控制制的的优优点点，稳定处理效果，实现自动化运行。稳定处理效果，实现自动化运行。