论文部分内容阅读
随着经济全球化和现代化进程的加快,大气污染和水污染等环境污染问题已经严重阻碍了现代社会的可持续发展。近年来,纳米技术的发展使得纳米材料在化石燃料脱硫脱硝、有机染料废水处理、新型清洁能源的开发等减少环境污染方面发挥了越来越重要的作用,其中纳米金属氧化物也因在催化剂、新能源电池、传感器、半导体等行业的广泛应用而成为现代工业发展研究的’新宠’。近十多年来,我国一直是全球最大的稀土生产国,其产量占全球稀土产量的90%以上。铈（Ce）是地壳中最丰富的稀土元素之一,含量高达0.0046 wt%,二氧化铈（CeO2）作为铈最稳定的氧化物,具有超高的氧空穴浓度和氧迁移率以及稳定的金属支撑等独特的物化性能。CeO2不仅在传统的三相催化剂和燃料电池中具有重要作用,在一些新兴反应如光催化、水分解等反应中,CeO2也正在以一种新型催化剂的身份,为未来催化剂市场的发展带来更多突破。基于以上的现状分析,本论文以CeO2为基体材料,合成了几种不同结构的CeO2基纳米复合材料,并将这些纳米材料分别用到电化学氧化柴油脱硫、电化学催化析氢、以及染料废水脱色的研究中,具体的研究内容和结果如下:论文第三章通过循环伏安曲线中氧化电流的大小和扫描电镜中沉积样品的形貌,确定了将CeO2沉积到AAO上的工艺条件,包括:AAO模板的前处理方式为抽真空处理4h,沉积电流为0.1 mA/cm2,沉积液组成是0.1 M Ce（NO3）3·6H20+0.2 M CH3COONH4,沉积时间为4 h。在制备过程中不仅得到了主要产物AAO-CeO2同轴纳米管（NTs）阵列,还生成了少量的Ce2O3和新相Al3Ce晶间化合物。论文第四章采用新制备的AAO-CeO2 NTs作为催化剂,通过电化学氧化法对柴油中典型的杂环硫化物（苯并噻吩（BT）,二苯并噻吩（DBT）和二甲基二苯并噻吩（DMDBT））进行脱除,并研究主要的实验条件对脱硫效率的影响。研究表明,电化学氧化能有效脱除柴油中的硫化物,其中BT最容易被氧化脱除且脱除效率可达87.2%;柴油氧化的主要产物是可溶性的无机硫化物,尤其是Ce2（SO4）3;根据脱硫产物以及催化剂材料的相变,提出了商用柴油可能的脱硫路径。然后,通过对模拟柴油（由1000 ppm BT,600 ppm DBT和300 ppm DMDBT混合而成）的电化学氧化脱硫发现:在脱硫过程中,BT能够通过两种方式进行脱除,即氧化成苯并噻吩砜（BTO2）和硫酸盐,而DBT和DMDBT的主要脱除方式只是氧化成硫酸盐;1000 ppm BT,600 ppm DBT和300 ppm DMDBT单独脱硫的效率分别为98.07%,96.82%和92.65%,比将三种硫化物混合以模拟柴油的方式进行脱硫的效率高很多。最后,通过分析三种硫化物的C-S键键能和电化学氧化的循环伏安曲线得出:硫化物的浓度存在一个临界点,当浓度高于该临界点时,脱硫效率随浓度的上升而降低,反之,脱硫效率随浓度的上升而升高。论文第五章采用恒电流沉积在AAO模板上分别制备AAO-Ni和AAO-CeO2-Ni两种Ni纳米管,并表征了两种纳米管的结构形貌和电催化析氢性能。结果发现:在制备AAO-CeO2-Ni纳米管的过程中形成了很多新相CeNix（x=1,2,3.5或5）,并且Ni在AAO-CeO2-Ni中的择优取向晶面是<111>,而在AAO-Ni中的择优取向晶面是<200>;合成的两种Ni纳米管在1M NaCl中的析氢性能都比已有文献报道的Ni薄膜在1M NaOH中的催化析氢性能好;最后根据电极析氢反应的线性扫描伏安曲线推测出:塔菲尔斜率b主要受到电极材料的相组成和导电性的影响,而交换电流密度j0主要受到电极材料实际比表面积的影响。论文第六章采用水热法在碱性环境下合成一系列RGO含量不同的CeO2纳米棒（NRs）-RGO纳米复合材料,并将其用作废水中甲基蓝（MB）脱色的催化剂。实验发现:将RGO掺杂到CeO2中不仅改变了 Ce02的形貌、比表面积、粒径尺寸、禁带宽度、晶体结构以及氧空穴浓度,而且导致RGO与CeO2之间发生电子转移,并最终使得RGO含量为9.2wt%的催化剂CeO2NRs-RGO（9.2wt%）对MB的脱色性能高达95.4%。研究还指出MB在该催化剂上的脱色主要靠吸附脱色,但是受可见光激发的催化剂对MB的氧化降解也提高了整体的脱色效率。最后,基于电子捕获剂（H2O2）和空穴捕获剂（乙醇）对MB在CeO2NRs-RGO（9.2 wt%）上脱色效率的影响,提出了 MB在该催化剂上脱色的可能路径。