第七讲 电催化氧化技术 ppt课件
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电化学催化简介PPT课件
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贵金属：常用的贵金属催化剂有铂、钯、铑、银、钌等。 它们的d电子轨道都未填满，表面易吸附反应物，且强度 适中，利于形成中间“活性化合物”，具有较高的催化活 性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性。 自从铂1875开始用于硫酸工业，贵金属投入工业应用已经 有一百多年历史，在诸多工业领域均有应用。在燃料电池 的研究中，电极研究是极其关键的一环。 目前燃料电池中使用的电催化剂主要是Pt/C电极，新型的 其他的合金电极和非贵金属电极也在研究中。
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二元催化剂：Pt-Ru/C, Pt-Mo/C, Pt-Sn/C;
合金催化剂
多元催化剂：PtRu2WO3/C 、PtRuW /C等
合金增强型催化剂：多元合金催化剂中添加成分，通常 本身没有催化活性或活性很低，但加到主催化剂（如Pd 或Pt）中形成混合相或合金相后，由于各种协同作用使 催化剂表现出更好的催化性能，包括反应过电位降低、 电流密度增大或稳定性提高等。
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二、电化学催化的基本机理
在电极表面发生的多相催化反应
氧化-还原电催化
分类
在溶液中发生的均相催化反应
非氧化还原电催化
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1、氧化还原电催化 电化学催化反应过程中，固定在电极表面或存在于电解
液中的催化剂本身发生了氧化—还原反应，吸附过程包 括了电子的转移。
A：底物； Ox：催化剂的氧化态； B：产物； R：催化剂的还原态
化可以使过电位降低数十
mV。
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DSA尺寸稳定阳极：又称为催化涂层钛阳极 在Ti板上通过ReO2系金属氧化物与TiO2的固溶体
进行热分解后涂覆于Ti板上 比石墨电极具有更好耐腐蚀性强度和加工性能，价
贵金属：常用的贵金属催化剂有铂、钯、铑、银、钌等。 它们的d电子轨道都未填满，表面易吸附反应物，且强度 适中，利于形成中间“活性化合物”，具有较高的催化活 性，同时还具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等综合优良特性。 自从铂1875开始用于硫酸工业，贵金属投入工业应用已经 有一百多年历史，在诸多工业领域均有应用。在燃料电池 的研究中，电极研究是极其关键的一环。 目前燃料电池中使用的电催化剂主要是Pt/C电极，新型的 其他的合金电极和非贵金属电极也在研究中。
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二元催化剂：Pt-Ru/C, Pt-Mo/C, Pt-Sn/C;
合金催化剂
多元催化剂：PtRu2WO3/C 、PtRuW /C等
合金增强型催化剂：多元合金催化剂中添加成分，通常 本身没有催化活性或活性很低，但加到主催化剂（如Pd 或Pt）中形成混合相或合金相后，由于各种协同作用使 催化剂表现出更好的催化性能，包括反应过电位降低、 电流密度增大或稳定性提高等。
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二、电化学催化的基本机理
在电极表面发生的多相催化反应
氧化-还原电催化
分类
在溶液中发生的均相催化反应
非氧化还原电催化
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1、氧化还原电催化 电化学催化反应过程中，固定在电极表面或存在于电解
液中的催化剂本身发生了氧化—还原反应，吸附过程包 括了电子的转移。
A：底物； Ox：催化剂的氧化态； B：产物； R：催化剂的还原态
化可以使过电位降低数十
mV。
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DSA尺寸稳定阳极：又称为催化涂层钛阳极 在Ti板上通过ReO2系金属氧化物与TiO2的固溶体
进行热分解后涂覆于Ti板上 比石墨电极具有更好耐腐蚀性强度和加工性能，价
第七讲 电催化氧化技术
二是电化学燃烧过程， 二是电化学燃烧过程，即将有机污染物深 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。 度氧化，最终产物为水和二氧化碳。电化学燃 烧较普通的燃烧所需的温度低， 烧较普通的燃烧所需的温度低，并且产生的二 次污染物少。这两种过程的实质是一样的， 次污染物少。这两种过程的实质是一样的，只 是氧化反应的程度不同。 是氧化反应的程度不同。 电化学技术的基本原理是使污染物在电极 上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的 强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变 后者被称为间接电化学转化, ,后者被称为间接电化学转化,直接电化学转化 通过阳极氧化可使有机污染物和部分无机污染 物转化为无害物质, 物转化为无害物质,阴极还原则可从水中去除 重金属离子. 重金属离子.
阳极催化氧化降解有机物的基本原理是利用 有催化剂的阳极电极， 有催化剂的阳极电极，使吸附在其表面的有机 污染物发生催化氧化反应， 污染物发生催化氧化反应，使之降解为无害的 物质，或降解成容易进行生物降解的物质， 物质，或降解成容易进行生物降解的物质，再 进行进一步的生物降解处理。 进行进一步的生物降解处理。 有机污染物在催化阳极上的直接氧化按其生 成产物的特征分为两种过程。 成产物的特征分为两种过程。 一是电化学氧化过程， 一是电化学氧化过程，主要依靠阳极的氧化 作用， 作用，将吸附在电极表面的有机污染物直接氧 化降解生成小分子， 化降解生成小分子，把有毒物质转变为无毒物 质，或把难以进行生物降解的有机污染物转化 为容易进行生物降解的物质。 为容易进行生物降解的物质。
一种是物理吸附的活性氧, 一种是物理吸附的活性氧,即吸附的羟基自 由基,另一种是化学吸附的活性氧, 由基,另一种是化学吸附的活性氧,即进入氧化 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 晶格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 两种活性氧都发生反应，生成氧气。 当溶液中有有机物存在时， 当溶液中有有机物存在时，物理吸附的氧 OH)在 电化学燃烧”过程中起主要作用， (·OH)在“电化学燃烧”过程中起主要作用，而化 学吸附的氧(MOx+1 则主要参与“电化学转化” 学吸附的氧(MOx+1)则主要参与“电化学转化”， 即对有机物进行有选择的氧化( 即对有机物进行有选择的氧化(对芳香类有机 物起作用而对脂肪类有机物不起作用) 物起作用而对脂肪类有机物不起作用)。 电催化反应的共同特点是反应过程包含两个 以上的连续步骤, 以上的连续步骤,且在电极表面上生成化学吸 附中间物。 附中间物。
电化学催化课件
电化学催化课件
氧析出反应的电催化机理
❖ 在碱性溶液中，氧的析出总包反应（阳 极反应）是： 4OH— → O2 + 2H2O + 4e— 在酸性溶液中，氧的析出总包反应 （阳极反应）是： 2H2O → O2 + 4H+ + 4e—
电化学催化课件
❖ 有关氧析出反应的机理目前尚无一致看法。通常认 为： 在酸性溶液中，氧析出的机理为： (ⅰ) M + H2O → M-OH + H+ + e— (ⅱ) M-OH → M-O + H+ + e— (ⅲ) 2M-O → O2 + 2M 在碱性溶液中，氧析出的机理为： (ⅰ) M + OH— → M-OH— (ⅱ) M-OH— → M-OH + e— (ⅲ) M-OH— + M-OH → M-O + H2O + e— (ⅳ) 2M-O → O2 + 2M
电化学催化课件
电极催化作用的主效应和次效应
❖ 电催化作用包括主效应与次级效应，前 者来自电极表面与反应物、产物、中间 体之间的相互作用，后者包括电极的双 电层结构对电极反应速率的影响。
电化学催化课件
电催化剂活性的比较
❖ 理想的电催化剂必须是j0大，Tafel斜率 小的电极材料。如果指定电流密度下的 过电位越小或者指定过电位下的电流密 度越大，则催化活性越好。
电化学催化课件
电催化剂的颗粒尺寸效应
❖ 电催化剂颗粒尺寸通常是指由金属表面积测 定、X射线衍射分析或电子显微镜测量结果的 平均值。
❖ 质量之 比。
❖ 比活性SA：单位表面积催化剂上得到的电流 强度，即电流强度与所用的催化剂的表面积 之比。
氧析出反应的电催化机理
❖ 在碱性溶液中，氧的析出总包反应（阳 极反应）是： 4OH— → O2 + 2H2O + 4e— 在酸性溶液中，氧的析出总包反应 （阳极反应）是： 2H2O → O2 + 4H+ + 4e—
电化学催化课件
❖ 有关氧析出反应的机理目前尚无一致看法。通常认 为： 在酸性溶液中，氧析出的机理为： (ⅰ) M + H2O → M-OH + H+ + e— (ⅱ) M-OH → M-O + H+ + e— (ⅲ) 2M-O → O2 + 2M 在碱性溶液中，氧析出的机理为： (ⅰ) M + OH— → M-OH— (ⅱ) M-OH— → M-OH + e— (ⅲ) M-OH— + M-OH → M-O + H2O + e— (ⅳ) 2M-O → O2 + 2M
电化学催化课件
电极催化作用的主效应和次效应
❖ 电催化作用包括主效应与次级效应，前 者来自电极表面与反应物、产物、中间 体之间的相互作用，后者包括电极的双 电层结构对电极反应速率的影响。
电化学催化课件
电催化剂活性的比较
❖ 理想的电催化剂必须是j0大，Tafel斜率 小的电极材料。如果指定电流密度下的 过电位越小或者指定过电位下的电流密 度越大，则催化活性越好。
电化学催化课件
电催化剂的颗粒尺寸效应
❖ 电催化剂颗粒尺寸通常是指由金属表面积测 定、X射线衍射分析或电子显微镜测量结果的 平均值。
❖ 质量之 比。
❖ 比活性SA：单位表面积催化剂上得到的电流 强度，即电流强度与所用的催化剂的表面积 之比。
第七讲电催化氧化技术
二是电化学燃烧过程即将有机污染物深度氧化最终产物为水和二氧化碳电化学燃烧较普通的燃烧所需的温度低并且产生的二次污染物少这两种过程的实质是一样的只是氧化反应的程度不同 电化学技术的基本原理是使污染物在电极上发生直接电化学反应或利用电极表面产生的强氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变后者被称为间接电化学转化直接电化学转化通过阳极氧化可使有机污染物和部分无机污染物转化为无害物质阴极还原则可从水中去除重金属离子.
1有机物在阳极上直接被氧化降解； 2电解过程中同时生成的氧化剂的氧化作用使有机物发生氧化降解 a 利用电解过程产生Cl2、NaClO和O3等氧化剂的作用降解废水中的有机物或产生高价态的金属离子如Fe3+等氧化降解废水中的有机污染物； b 利用阴极将水溶液中的溶解氧被还原成H2O2对有机物产生氧化作用或在Fe2+催化作用下H2O2生成Fenton试剂产生的氧化作用； c 利用具有催化性能的修饰电极在电解过程中产生的氧化性极强的HO·使有机物氧化分解
目前电催化电极的主要制备方法有热解喷涂法、浸渍法或涂刷法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电沉积法、电化学阳极氧化法以及溶胶-凝胶法等 2.4 催化电极与电极材料的种类 1催化电极的种类 在绝大多数电化学反应中皆以金属为电极反应主要在电解质溶液中进行因此电极催化剂的范围仅限于金属和半导体等的电性材料 a 二维电催化电极 b 三维电催化电极 c 流化床电极 d 多孔材料电极
关于电催化氧化处理有机物的机理有很多种其中被广大研究者所接受的是由Comninellis Ch.提出的金属氧化物的吸附羟基自由基和金属过氧化物理论 按照该理论有机物阳极氧化的一般过程如酸性或碱性溶液中的H2O或OH-在金属氧化物阳极表面吸附在表面电场的作用下吸附的H2O或OH-失去电子生成MOX·OH MOx表示氧化物阳极:接下来吸附的·OH可能与阳极材料中的氧原子相互作用自由基中的氧原子通过某种途径进入金属氧化物MOx的晶格之中从而形成所谓的金属过氧化物MOx+1:这样在金属的表面存在两种状态的"活性氧":
1有机物在阳极上直接被氧化降解； 2电解过程中同时生成的氧化剂的氧化作用使有机物发生氧化降解 a 利用电解过程产生Cl2、NaClO和O3等氧化剂的作用降解废水中的有机物或产生高价态的金属离子如Fe3+等氧化降解废水中的有机污染物； b 利用阴极将水溶液中的溶解氧被还原成H2O2对有机物产生氧化作用或在Fe2+催化作用下H2O2生成Fenton试剂产生的氧化作用； c 利用具有催化性能的修饰电极在电解过程中产生的氧化性极强的HO·使有机物氧化分解
目前电催化电极的主要制备方法有热解喷涂法、浸渍法或涂刷法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、电沉积法、电化学阳极氧化法以及溶胶-凝胶法等 2.4 催化电极与电极材料的种类 1催化电极的种类 在绝大多数电化学反应中皆以金属为电极反应主要在电解质溶液中进行因此电极催化剂的范围仅限于金属和半导体等的电性材料 a 二维电催化电极 b 三维电催化电极 c 流化床电极 d 多孔材料电极
关于电催化氧化处理有机物的机理有很多种其中被广大研究者所接受的是由Comninellis Ch.提出的金属氧化物的吸附羟基自由基和金属过氧化物理论 按照该理论有机物阳极氧化的一般过程如酸性或碱性溶液中的H2O或OH-在金属氧化物阳极表面吸附在表面电场的作用下吸附的H2O或OH-失去电子生成MOX·OH MOx表示氧化物阳极:接下来吸附的·OH可能与阳极材料中的氧原子相互作用自由基中的氧原子通过某种途径进入金属氧化物MOx的晶格之中从而形成所谓的金属过氧化物MOx+1:这样在金属的表面存在两种状态的"活性氧":
《电催化氧化技术》课件
《电催化氧化技术》PPT 课件
电催化氧化技术是一种高效的环境治理技术，利用电极上的催化剂催化氧化 废水和废气中的有机物质，实现清洁环境的目标。
一、介绍
1 定义
电催化氧化技术是一种利用电化学反应进行废水和废气处理的技术。
2 背景
该技术的发展源于对环境污染的关注和需求。
3 目的
其目的是有效地去除废水和废气中的有机物质，净化环境，保护健康和生态平衡。
2 电极材料的研发
开发更稳定、延长电极 寿命的材料，减少运营 成本。
3 技术应用领域的扩展
将电催化氧化技术应用 于更广泛的领域，如废 弃物处理等。
六、结语
1 总结
电催化氧化技术是一种高效治理废水和废气的方法，具有广阔的应用前景。
2 展望未来
随着科技的发展，电催化氧化技术将进一步完善并推动环境保护事业的发展。
二、原理
1 电催化氧化反应原理
通过电化学反应，将有机物质氧化成无害的产物。
2 催化剂的选择
选择合适的催化剂能提高反应速率和效率。
3 电极的选择
选择合适的电极材料能提供稳定的催化活性。
三、应用
污水处理
电催化氧化技术可以高效去除污水中的有机 物质，达到水质净化的目标。
有机废液处理
电催化氧化技术可有效去除有机废液中的有 害物质，实现废液的处理和再利用。
废气处理
该技术可将废气中的有机物质转化为无害物 质，降低大气污染。
生物质能源
该技术可将生物质转化点与挑战
优点
高效、环保、可控性好，具有广泛的应用前景。
挑战
催化剂稳定性、电极寿命、运营成本等方面仍 存在挑战。
五、未来发展方向
1 新型催化剂的研究
研发更高效、稳定的催 化剂，提高反应速率和 效率。
电催化氧化技术是一种高效的环境治理技术，利用电极上的催化剂催化氧化 废水和废气中的有机物质，实现清洁环境的目标。
一、介绍
1 定义
电催化氧化技术是一种利用电化学反应进行废水和废气处理的技术。
2 背景
该技术的发展源于对环境污染的关注和需求。
3 目的
其目的是有效地去除废水和废气中的有机物质，净化环境，保护健康和生态平衡。
2 电极材料的研发
开发更稳定、延长电极 寿命的材料，减少运营 成本。
3 技术应用领域的扩展
将电催化氧化技术应用 于更广泛的领域，如废 弃物处理等。
六、结语
1 总结
电催化氧化技术是一种高效治理废水和废气的方法，具有广阔的应用前景。
2 展望未来
随着科技的发展，电催化氧化技术将进一步完善并推动环境保护事业的发展。
二、原理
1 电催化氧化反应原理
通过电化学反应，将有机物质氧化成无害的产物。
2 催化剂的选择
选择合适的催化剂能提高反应速率和效率。
3 电极的选择
选择合适的电极材料能提供稳定的催化活性。
三、应用
污水处理
电催化氧化技术可以高效去除污水中的有机 物质，达到水质净化的目标。
有机废液处理
电催化氧化技术可有效去除有机废液中的有 害物质，实现废液的处理和再利用。
废气处理
该技术可将废气中的有机物质转化为无害物 质，降低大气污染。
生物质能源
该技术可将生物质转化点与挑战
优点
高效、环保、可控性好，具有广泛的应用前景。
挑战
催化剂稳定性、电极寿命、运营成本等方面仍 存在挑战。
五、未来发展方向
1 新型催化剂的研究
研发更高效、稳定的催 化剂，提高反应速率和 效率。
电催化氧化技术ppt课件
29
（3）良好的稳定性：能够耐受杂质及中间产物的作用而
不致较快地被污染（或中毒）而失活，并且在实现催化反 应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性；
（4）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。
电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。电极 材料的不同可以使反应速度发生数量级的变化。改变电极 材料的性质，既可以通过变换电极基体材料来实现，也可 以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性而实现。 电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
35
（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 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 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
10
3.1 电化学还原
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：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
（3）良好的稳定性：能够耐受杂质及中间产物的作用而
不致较快地被污染（或中毒）而失活，并且在实现催化反 应的电势范围内催化表面不至于因电化学反应而过早失去 催化活性；
（4）良好的机械物理性质：即表面层不脱落、不溶解。
电极材料的性质是决定电极催化特性的关键因素。电极 材料的不同可以使反应速度发生数量级的变化。改变电极 材料的性质，既可以通过变换电极基体材料来实现，也可 以用有电催化性能的涂层对电极表面进行修饰改性而实现。 电极涂层的制备工艺条件对其催化性能有很大的影响。
（1）电化学转换——即把有毒物质转变为无毒物质，或把难 生化的有机物转化为易生化的物质（如芳香物开环氧化为脂 肪酸），以便进一步实施生物处理；
（2）电化学燃烧——即直接将有机物深度氧化为CO2。 有研究表明，有机物在金属氧化物阳极上的氧化反应机理和 产物同阳极金属氧化物的价态和表面上的氧化物种有关。
常用的载体多采用聚合物膜和一些无机物膜。
载体必须具备良好的导电性及抗电解液腐蚀的性能，其作 用可分为两种情况：支持和催化，相应地可以将载体分为两 种情况：
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（1）支持性载体：仅作为一种惰性支撑物，只参与导电过 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 （2）催化性载体 ：载体与负载物存在某种相互作用，这种 相互作用的存在修饰了负载物质的电子状态，其结果可能会 显著改变负载物质的活性和选择性。同时，载体与负载物之 间的结合程度是影响电催化电极性能的重要因素（影响电极 的机械强度和稳定性，影响到电极的使用寿命）。
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
10
3.1 电化学还原
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：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
电催化氧化技术PPT课件
电化学反应只是简单电极上的反应，其处理效率明显比电 催化反应低。
.
9
三.电催化去除污染物的基本原理
直接还原
电化学还原 间接还原
电化学氧化 电凝聚作用
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
.
10
3.1 电化学还原
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：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
.
19
3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。
.
16
间接氧化：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生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
.
17
为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
.
2
一.电 化 学
电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
.
3
原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
.
14
阳极表面氧化过程分两阶段进行—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基: MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
.
9
三.电催化去除污染物的基本原理
直接还原
电化学还原 间接还原
电化学氧化 电凝聚作用
直接氧化 间接氧化
电浮选
光电化学氧化
电化学转换 电化学燃烧
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3.1 电化学还原
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：M2+ + 2e- → M。 许多金属的回收即属于直接还原过程，同时该法可使多
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3.4 电浮选
在对废水进行电化学处理过程中，通过电极反应在阴极和 阳极上分别析出H2和O2，产生直径很小（约8~15μm）、 分散度很高的气泡，作为载体吸附系统中的胶体微粒及悬 浮固体上浮，在水面形成泡漠层，用机械方法加以去除， 从而达到分离污染物的目的。
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间接氧化：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生成的中间物质 （·OH、·O2、·HO2等自由基），氧化被处理污染物，最 终达到氧化降解污染物的目的。
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为了得到高的转化效率，电催化氧化还原作用过程必须 满足以下要求：
（1）氧化还原剂的生成电位必须不靠近析氢或析氧反应 的电位；
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2
一.电 化 学
电化学定义：研究电能与化学能之间相互转化的学科。 原电：化学能转化为电能 电解池：电能转化为化学能
转化条件： 1. 涉及的化学反应必须有电子的转移 ——氧化还原反应。 2. 化学反应必须在电极上进行
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3
原电池：借助氧化还原反应把化学能直接变成电能的装置。 原电池组成：
① 电极
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阳极表面氧化过程分两阶段进行—— 首先溶液中的H2O或·OH在阳极上形成吸附的氢氧自由基: MOx + H2O → MOx (·OH) + H+ + e-
电催化与有机废水处理ppt课件
影响电催化氧化效率的因素
反应体系PH值可以影响氧化效率， 经实验证实，PH值越高，水中有机 物降解去除率越高。
影响电催化氧化效率的因素
对于半导体催化剂，只有外加电场达 到一定的强度时，它才会有明显的“空穴 效应”。 一般来说，随着外加电压的升高，体 系产生自由基的速率也增大，有机物的去 除效率也就提高了。
烃类有机物 醛类有机物
醇类有机物 酚类有机物 胺类有机物
电催化氧化技术的应用
处理水中烃类有机物
电催化氧化技术处理水中烃类有机物时，一 般去油量会达到93%～95% 对含油量为150mg/L以下的废水，处理后加 混凝剂过滤，可以降到0.7mg/L以下 对水溶性较大的烃类有机物，该技术通常应 用石墨颗粒组成的三维复极性固定床电极 来提高其处理效果。
电极材料研究不断取得进展
出现了钌钛涂层的金属阳极 D.S.A（也叫“形稳阳极”）并实 现了工业化，该电极大大提高了电 流效率和电极寿命。
电催化氧化技术的发展
近几年来，国内外开展了一系列研究工 作，并取得了一些进展。
E. Brillas等用Pb/PbO2电极和氧气气体扩散电极 降解了苯胺和4-氯苯胺
电催化氧化技术的应用
除石墨、Pt、PbO2等析氧过电 位较高的电极材料外,近年来还发现, 一些掺杂半导体电极具有较高的析氧、 析氯过电位,可防止有毒卤代物生成而 造成二次污染。
影响电催化氧化效率的因素
（1）催化电极本身的催化活性 （2）反应体系的PH值 （3）反应体系的电压
影响电催化氧化效率的因素
电催化氧化技术
该技术采用外加电场,其反应在电极/溶液 界面进行。该技术特别适用于生物难降解 或一般化学氧化难以奏效的水中有机物的 处理。
电催化氧化技术的发展
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第七讲 电催化氧化技术
10
2.2 基础电极
所谓基础电极，也叫电极基质，是指具有一定 强度，能够承载催化层的一类物质。
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。高 的机械强度，良好的导电性和与电催化组成具 有一定的亲和性是对基础电极基本的要求。
电催化反应的共同特点是反应过程包含两个以
上的连续步骤,且在电极表面上生成化学吸附中
间物。
第七讲 电催化氧化技术
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许多由离子生成分子或使分子降解的重要电极 反应均属于此类反应。所以对电催化氧化 (ECO)的机理主要是通过电极和催化材料的作 用产生超氧自由基(·O2),H2O2，羟基自由基 (·OH)等活性集团来氧化水体中的有机物。因 此针对电催化反应的特点也可将此种反应分为 两类:
一般认为电催化氧化去除废水中难降解有 机污染物有以下两种方式：
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(1)有机物在阳极上直接被氧化降解；
(2)电解过程中同时生成的氧化剂的氧化作用 使有机物发生氧化降解。
a 利用电解过程产生Cl2、NaClO和O3等氧 化剂的作用降解废水中的有机物或产生高价 态的金属离子如Fe3+等，氧化降解废水中的 有机污染物；
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关于电催化氧化处理有机物的机理有很多种， 其中被广大研究者所接受的是由Comninellis Ch.提出的金属氧化物的吸附羟基自由基和金 属过氧化物理论。
按照该理论，有机物阳极氧化的一般过程如酸 性(或碱性)溶液中的H2O(或OH-)在金属氧化 物阳极表面吸附，在表面电场的作用下，吸附 的H2O(或OH-)失去电子，生成MOX(·OH) (MOx表示氧化物阳极):接下来,吸附的·OH可 能与阳极材料中的氧原子相互作用，自由基中 的氧原子通过某种途径进入金属氧化物MOx 的晶格之中，从而形成所谓的金属过氧化物 MOx+1:这样在金属第七的讲 电催表化氧面化技术存在两种状态的"活7
第七讲 电催化氧化技术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2 电催化氧化所需电极材料
2.1 电极材料的基本要求
电极对催化剂的要求必须满足：反应表面积要 大；有较好的导电能力；吸附选择性强；在使 用环境下的长期稳定性；尽量避免气泡的产生 ；机械性能好；资源丰富且成本低；环境友好 。
在电催化过程中，催化反应是发生在催化电极 /电解液的界面，即反应物分子必须与电催化 电极发生相互作用，而相互作用的强弱则主要 决定于催化电极表面的结构和组成。
b 利用阴极将水溶液中的溶解氧被还原成 H2O2对有机物产生氧化作用或在Fe2+催化作 用下H2O2生成Fenton试剂产生的氧化作用； c 利用具有催化性能的修饰电极在电解过程 中产生的氧化性极强的HO·，使有机物氧化 分解。
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阳极催化氧化降解有机物的基本原理是利用有 催化剂的阳极电极，使吸附在其表面的有机污 染物发生催化氧化反应，使之降解为无害的物 质，或降解成容易进行生物降解的物质，再进 行进一步的生物降解处理。
间接氧化是通过阳极在高电势下产生的羟基等 自由基与污染物分子作用,这种自由基是具有高 度活性的强氧化剂C(也可以是催化剂),通过对 有机物产生脱氢、亲电子和电子转移作用,形成 活化有机自由基,产生连锁自由基反应,使有机 物迅速完全降解,故也称为电化学燃烧。
间接氧化在一定程度上既发挥了阳极直接氧化 的作用,又利用了产生的氧化剂,使处理效率显 著提高。
一种是物理吸附的活性氧,即吸附的羟基自由 基,另一种是化学吸附的活性氧,即进入氧化晶 格中的氧原子。当溶液中没有有机物存在时， 两种活性氧都发生反应，生成氧气。
当溶液中有有机物存在时，物理吸附的氧 (·OH)在“电化学燃烧”过程中起主要作用， 而化学吸附的氧(MOx+1)则主要参与“电化学 转化”，即对有机物进行有选择的氧化(对芳 香类有机物起作用而对脂肪类有机物不起作用 )。
电化学技术的基本原理是使污染物在电极上 发生直接电化学反应或利用电极表面产生的强 氧化性活性物种使污染物发生氧化还原转变, 后者被称为间接电化学转化,直接电化学转化 通过阳极氧化可使有机污染物和部分无机污染 物转化为无害物质,阴极还原则可从水中去除 重金属离子.
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这两个过程同时伴生放出H2和O2的副反应,使 电流效率降低,但通过电极材料的选择和电位控 制可加以防止,且很少产生羟基自由基,处理效 率不理想。
电催化氧化技术
0概述
通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反 应产生HO·、O3一类的氧化剂降解有机物，这 种降解途径使有机物分解更加彻底，不易产生 有毒害作用的中间产物，更符合环境保护要求， 这种方法通常被称为有机物的电催化氧化 （Electro-Catalytic Oxidation，ECO）。
电流效率低、电耗高、难以实用化 高电催化活性电极材料
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1 电催化氧化的基本原理
电催化是指在电场作用下，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，而电极表面或溶液相 中的修饰物本身并不发生变化的一类化学作 用。
电催化氧化处理有机污染物就是在电极表面 发生直接或间接氧化反应，最终生成水和二 氧化碳而从体系中除去。
有机污染物在催化阳极上的直接氧化按其生成 产物的特征分为两种过程。
一是电化学氧化过程，主要依靠阳极的氧化作 用，将吸附在电极表面的有机污染物直接氧化 降解生成小分子，把有毒物质转变为无毒物质， 或把难以进行生物降解的有机污染物转化为容 易进行生物降解的物质。
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二是电化学燃烧过程，即将有机污染物深度 氧化，最终产物为水和二氧化碳。电化学燃烧 较普通的燃烧所需的温度低，并且产生的二次 污染物少。这两种过程的实质是一样的，只是 氧化反应的程度不同。
a 离子或分子通过电子传递步骤在电极表面上 产生化学吸附中间物,随后吸附中间物经过异相 化学步骤或电化学脱附步骤生成稳定的分子， 如酸性溶液中的氢析出反应。
b 反应物首先在电极上进行解离式
(dissociative)或 缔合式(associative)化学吸
附,随后吸附中间物或吸附反应物进行电子传递