新型层状双金属氢氧化物吸附剂的制备及其电催化氧化潜能研究

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随着工业社会的快速发展,水质污染问题日益严重。高效低耗的水质净化技术是当前给排水科学与工程专业的研究热点。吸附和氧化是去除水质污染的重要途径。吸附法在吸附剂饱和后,若能将污染物进一步氧化去除,实现原位再生,随之恢复吸附剂的吸附能力,是水质净化学者们孜孜不倦的追求。基于此,本论文在国家自然科学基金项目(51878171)的支持下,探索开发新型吸附剂材料,并对其氧化潜能进行初步研究,以期为水质净化技术开辟新的途径。在众多新型吸附剂材料中,由于层状双金属氢氧化物(LDH)的多种可调变性,其吸附能力及作为电催化剂的氧化潜力受到水质净化研究者的极大关注。本论文聚焦纳米量级和N丰富有机配体掺杂NiFe-LDH新型吸附剂的制备、微观形貌及结构研究,进一步探讨LDH吸附剂在水质净化中的吸附能力和电催化氧化潜能,为将来在水质净化中应用LDH材料提供技术支撑。具体工作内容与结论如下:(1)采用均匀共沉淀法合成一系列不同Ni/Fe摩尔比LDH,以XRD、FTIR、ICP、TG、N2吸附-脱附、SEM等多种手段表征材料结构、组成、形貌等。所得典型介孔材料BET比表面积从276.589 m2 g-1到542.739 m2 g-1不等,高于一般文献报道,平均粒径仅为20 nm左右,归因于在合成过程中使LDH处于低结晶度状态和高分散状态。(2)以甲基橙(MO)为污染物,研究不同Ni/Fe摩尔比LDH对其的吸附性能。Ni/Fe摩尔比变化对LDH吸附MO的影响显著,其中Ni2Fe-LDH对MO的吸附性能最佳,Langmuir模型计算所得最大吸附量为343.64 mg g-1;吸附过程遵循伪二级动力学模型,以化学吸附为主;吸附过程大致可分为外表面吸附及颗粒内扩散两个阶段;吸附机理归因于静电引力和LDH层板电荷密度的协同作用。多种吸附作用力加之材料本身特性使碳酸根插层NiFe-LDH具有较好吸附性能。(3)研究不同Ni/Fe摩尔比LDH电催化析氧(OER)性能,Ni/Fe摩尔比变化对OER性能影响显著,其中Ni3Fe-LDH OER性能最佳。为进一步提升材料OER性能,将Ni3Fe-LDH与含N有机配体KBH(im)3进行掺杂。结果表明Ni3Fe-LDH/KBH(im)3-25OER性能最佳,在0.1 M KOH溶液中,10 mA cm-2对应的过电势为258 mV,塔菲尔斜率为44 mV dec-1,且稳定性较好,20 h稳定性测试后10 mA cm-2对应的电势仅增加了43 mV。一定量KBH(im)3掺杂使材料粒径更小、生长更为致密,暴露更多催化活性位点,加之KBH(im)3掺杂改变了材料电子结构,使Ni3Fe-LDH OER性能得以提升。
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