疏水性p-BN@β-PbO2复合电极的制备及其电催化降解抗生素研究

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电催化氧化法具有操作简单、降解高效、稳定性强和环境友好等优点,被认为是抗生素废水处理领域中最有发展前途的高级氧化技术之一。阳极材料对电催化氧化至关重要,直接决定了氧化过程最终产物以及对目标抗生素的去除率。β-PbO2具有电阻率低、硬度较大、析氧电位较高等优点,已成为电催化阳极材料研究的热点。本研究拟通过高压塑片法制备一种新型无基体β-PbO2阳极,探析其对盐酸强力霉素和头孢唑啉钠的降解效果以及降解机理,为电催化氧化法中新型电极材料的发展提供理论指导。主要研究成果如下:1.采用高压塑片法制备了新型无基体β-PbO2阳极,通过电化学工作站表征选定电催化活性最佳的10%(p-BN/C)@β-PbO2((2)号)电极,考察了掺杂比例和疏水外层对电极结构组成和降解性能的影响。结合p-BN@β-PbO2电极的SEM、XRD测试结果说明添加PTFE乳液后,电极表面的团聚会导致间隙的形成,有利于电解液溶质交换。通过接触角测试可知疏水外层的添加提升了电极疏水性能,使电极寿命增加且减少了副反应的发生。2.利用10%(p-BN/C)@β-PbO2对阳极材料进行线性扫描伏安测试,测试结果表明PTFE疏水外层修饰的p-BN@β-PbO2电极具有较高的析氧电位,副反应发生的可能大大降低,提高了反应效率。阳极材料阻抗测试表明10%(p-BN/C)@β-PbO2的电极电化学反应速率和电流效率最为突出。CV结果表明目标抗生素与电极间没有直接的电子传递,反应过程属于间接氧化,且计算发现10%(p-BN/C)@β-PbO2电极CV曲线积分面积最大,伏安电荷量最为突出(q*=4.19×10-2),说明其有更高的电化学活性面积和电催化活性。3.8次重复循环实验表明所制备的10%(p-BN/C)@β-PbO2电极具备长期稳定运行的能力。在一个降解实验周期内(120 min),体系中浸出的铅离子浓度为279.18 ug/L。考察了主要实验参数对盐酸强力霉素和头孢唑啉钠降解效果和动力学的影响,在优选降解条件120min即可实现30 mg/L盐酸强力霉素去除率为92.69%,头孢唑啉钠去除率也可达到82.47%。4.通过紫外分光光度谱图和高效液相色谱串联质谱仪对盐酸强力霉素以及头孢唑啉钠降解过程中的活性物种、络合产物和中间产物进行分析,发现10%(p-BN/C)@β-PbO2间接氧化对两种抗生素的降解起了关键作用。降解过程中盐酸强力霉素(346 nm)以及头孢唑啉钠(272 nm)在最大吸收波长处对应的吸光度逐渐减小到接近于0且伴随红移,最大吸收峰向长波方向移动,紫外区域的基线增加,说明目标抗生素在降解过程中发生脱基团反应,其共轭结构被迅速破坏,并可能被分解成更小的分子片段。5.反应的最佳工艺条件大致相同,但两种抗生素降解率差异较大。盐酸强力霉素和头孢唑啉钠降解率分别为96.29%、82.47%。因此推断该电极系统产生的活性物质对并四苯结构以及-NH2支链具有较高选择性,而对六元环中C-S、四元环中N-C键的反应活性较低。
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