电催化的应用与前景

电催化的应用与前景

摘要现在世界各国现代工业发展迅猛,对能源的需求量也随之急剧增加,但二十世纪末以来，我们却面临巨大的能源危机，以及日益严重的环境污染问题，因而节约有限能源、治理污染是当务之急。电催化科学的研究恰好适应了这种要求。电化学科学是以研究如何加速电极上电催化反应速度。降低电极电位为研究内容,与节能降耗密切相关,特别是在强电流电解过程中的节能,采用电催化电极更是起了巨大的作用。目前对能源利用、燃料电池和某些化学反应（如丙烯腈二聚、分子氧还原）的电催化作用研究得较深入，今后在开拓精细有机合成方面可能会得到较大的进展，特别是对那些与电子得失有关的氧化还原反应。本文将主要介绍电催化在有机污水的处理和燃料电池中的研究应用现状，以及对未来发展的展望。

关键词电催化有机污水燃料电池催化氧化

Abstract now world modern industry is developing rapidly, the demand of energy is increasing rapidly along with it, but since the end of the 20th century, we are faced with enormous energy crisis, and increasingly serious problem of environmental pollution, thereby saving energy Co., pollution abatement is the urgent affairs. The research of electro catalytic science has just adapted to this requirement. Electrochemical Science is to study how to accelerate the speed of electro catalytic reaction on the electrode. Lowering the electrode potential is closely related to the energy saving and consumption reduction, especially in the process of strong current electrolysis. Currently the use of energy, fuel cell and some chemical reactions (such as acrylonitrile dimer, reduction of molecular oxygen) electrocatalysis study deeply, the future develop fine organic synthesis may get great progress in, especially for those with electron gain or loss in the oxidation reduction reaction. This paper will mainly introduce the present situation of the research and application of the electro catalysis in the treatment of organic sewage and the fuel cell, and the prospects for the future development. Keywords electrocatalytic ，oxidation of organic waste water， fuel cells，catalytic oxidation

1.1污水的电催化处理

随着世界各国工业的迅猛发展，废水的排放量急剧增加，尤其是化学、农药、染料、医药、食品等行业排放的废水，其浓度高、色度大、毒性强，含有大量生物难降解的成分，给全球带来了严重的水体污染。常用的废水处理技术主要有物理法、化学法、生物法，其中，物理法、化学法容易引起二次污染；生物法以其经济性和较高的处理效率成为目前使用广泛的、能使污染物最终无机化、矿物化的方法，但它只能有效地处理生物相容的有机物。当废水中含有难降解有机物或生物毒性污染物时（如许多芳香烃及其衍生物），直接利用生物法处理该种废水就暴露出其局限性，当COD过高或毒性较大时，细菌就会无法生存或者急剧死

去，细菌的生存环境是15-30℃，当温度不在该范围内时，细菌无法存活，或者需要花费大的资金保证其所需温室环境。近年来，一种高级氧化技术，即利用光、声、电、磁或无毒试剂催化氧化技术处理有机废水，已成为当前世界水处理相当活跃的领域。电化学水处理技术是高级氧化技术的一种，因其具有其他水处理技术无法比拟的优点，近年来已受到国内外的广泛关注，并快速应用到各领域。电化学水处理技术因其具有多功能性、高度的灵活性、易于自动化、无二次污染等其它水处理技术无法比拟的优点,正成为国内外水处理技术研究的热点课题,尤

其对那些难于生化降解、对人类健康危害极大“三致”致癌、致畸、致突变有机污染物的去除具有很高的效率,并且又能节省大量的能源。因而，电化学水处理技术近年来已成为世界水处理技术相当活跃的研究领域,受到国内外的广泛关注。相比传统的生物废水处理方法，电催化废水处理技术有更潜在的应用前景。在比如电催化还原技术是现阶段水处理技术领域的研究热点之一，可将废水中高毒性污染物通过选择性电催化还原转化为低毒性的污染物，对含硝基苯，氯，酚等的废水取得了良好的处理效果，具有药剂用量少、操作简易、污染物降解选择性强等优点。

1.2电催化氧化的作用机理

1.2.1 电化学氧化还原法

电化学氧化还原法是指电解质溶液在电流的作用下，在阳极和电解质溶液界面上发生反应物粒子失去电子的氧化反应、在阴极和电解质溶液界面上发生反应物粒子与电子结合的还原反应的电化学过程。电化学的氧化原理分为两类: 一种是直接氧化，即让污染物直接在阳极失去电子而发生氧化，在含氰化物、含酚、含醇、含氮的有机废水处理中，直接电化学氧化发挥了十分有效的作用; 另一种则是间接氧化，即通过阳极反应生成具有强氧化作用的中间产物或发生阳极反应之外的中间反应来氧化污染物，最终达到氧化降解污染物的目的［1］。这种方法占地面积少、易操作; 但是效率低，影响的因素多(pH、电解质、电极材料等)。1.2.2 电凝聚法

在电解过程当中，采用铝质或铁质的可溶性阳极通以直流电后，阳极材料会在电解过程当中发生溶解，形成的金属阳离子Fe3 + 和Al3 + 等与溶液中的OH-形成Fe(OH)3和Al(OH)3等具有絮凝作用的胶体物质，可促使水中的胶态杂质絮凝沉淀，从而实现污染物的去除［2］。

1.2.3 电气浮法

通过发生电极反应对废水进行电解，在阴极和阳极上分别析出氢气和氧气，产生直径很小(约20～ 100μm) 分散度很高的气泡，这些微气泡粘附在胶体或已形成的絮体上，随着气泡的上升，这些胶体或絮体会随之上升至水面形成泡沫层。再用机械方法去除，从而达到分离污染物的目的。可通过调节电流、电极材料、pH 值和温度改变产气量及气泡大小，满足不同需要。电气浮法在处理造纸废水方面有广阔的应用前景。它可使造纸废水的脱色率达94%，去除达98%，去除达75%。此外，电气浮还可使水中浮油的去除率达95%，使乳化油去除率达92%，对不同浓度的平均去除率也达到91．2%［3］。

1.2.4 光电化学氧化法

半导体材料吸收可见光或紫外光中的能量后可作为催化剂使用，使废水发生光催化反应从而达到去除有害物质的目的。常用的半导体材料有TiO2和SiO2等。实验研究表明，光催化氧化法对四氯化碳、4-氯酚、苯二酚、p-氨基酸、苯等有