一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法，通过铂纳米颗粒在直流电场下表面发生的催化水分解反应实现。通过将铂纳米颗粒均匀分散于待降解的有机物的溶液中，作为电解液进行电解。本发明专利技术所述铂纳米颗粒经由硼氢化钠还原法制得，利用电场下铂纳米颗粒表面的极化促进周围水分子分解产生羟基自由基，将水中的有机染料氧化分解为二氧化碳、水和无机离子。使用本发明专利技术的均相电催化方法，能够有效去除水溶液中的有机物，反应条件温和，操作简单，易于控制。

A Homogeneous Electrocatalytic System Based on Platinum Nanoparticles for Degradation of Organic Compounds

The invention relates to a method for degradation of organic matter based on homogeneous electrocatalytic system of platinum nanoparticles, which is realized by catalytic water decomposition reaction of platinum nanoparticles on the surface of DC electric field. The platinum nanoparticles were evenly dispersed in the solution of the organic matter to be degraded and used as electrolyte for electrolysis. The platinum nanoparticles are prepared by sodium borohydride reduction method. The surface polarization of the platinum nanoparticles under electric field promotes the decomposition of surrounding water molecules to produce hydroxyl radicals, and the organic dyes in water are oxidized and decomposed into carbon dioxide, water and inorganic ions. The homogeneous electrocatalytic method of the invention can effectively remove organic matter from aqueous solution, has mild reaction conditions, simple operation and easy control.

【技术实现步骤摘要】
一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法
本专利技术涉及染料废水处理
，具体涉及一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法。
技术介绍
染料行业作为我国的传统行业，其产生的废水以邮寄物浓度高、成分复杂、色度高、难降解物质多等特点，成为水处理领域的一大难题。随着工业废水排放标准的日益提高，企业需要改进原有处理工艺或对生化出水进行深度处理提标改造。目前应用燃料废水的深度处理技术主要由物理化学法、氧化法、电化学法等。其中电化学法中的电催化氧化法设备简单、反应速度快、降解效率高、且可使难生物降解物质转化为可生化降解物质或将有机物深度氧化为二氧化碳和水、无二次污染。电催化氧化工艺主要分为直接氧化和间接氧化两种，直接氧化是有机物直接在电极表面与电极表层氧化物进行电子交换，进而发生氧化还原反应，改变有机物的分子结构，达到无害或矿化目的；间接氧化是利用电极表面产生的强氧化中间体，对有机物分子进行进攻，使其逐步无害化，甚至完全矿化。间接氧化中产生的强氧化中间体最典型的代表为羟基自由基(·OH)，有机物可以与·OH发生系列反应，使有机物分子被氧化，直至完全转化为CO2和H2O。而·OH活性高、寿命短，有机分子必须通过传质过程与·OH接触才能触发反应。因此，·OH与有机分子的接触面积往往是电催化氧化过程速率控制的关键。而在传统的电催化氧化手段中，·OH只产生于电极表面，而由于传质过程的制约，电极表面吸附态的·OH无法与有机物分子充分接触，大量的·OH由于自由基复合而浪费，最终导致表观催化效率较低。有上述分析可知，要提高电催化氧化的性能，必须增加吸附态的·OH与有机分子接触反应的几率，提高·OH的利用率，才能是有机物降解过程得到相应的促进与强化。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种均相电催化体系处理有机染料废水的方法，基于铂纳米颗粒在电场下催化水分解反应产生的羟基自由基，利用纳米材料高比表面积，增大染料分子与羟基自由基接触的效率，有效解决上述现有技术中存在的问题。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法，该方法为：将铂纳米颗粒均匀分散于待降解的有机物的溶液中，作为电解液进行电解；所述有机物的溶液含有水和用于导电的离子；铂纳米颗粒在电场作用下的催化水分解反应，产生羟基自由基，催化氧化有机物分解为二氧化碳、水和无机离子。进一步地，铂纳米颗粒采用PVP作为稳定剂的室温硼氢化钠还原法合成，在水溶液中稳定悬浮不沉降。进一步地，所述铂纳米颗粒在待降解的有机物的溶液中的浓度大于等于100μg/ml.进一步地，铂纳米颗粒可替换为与铂性质相似的其他贵金属催化剂，如钯、铱纳米颗粒。进一步地，电解过程中采用的电极为包括石墨电极、铂电极在内的惰性电极。进一步地，所述有机物为废水中的有机物，将铂纳米颗粒均匀分散于废水中进行电解，即可完成废水处理。本专利技术的基于铂纳米颗粒的均相电催化体系处理有机染料废水的方法，具有以下优点：1.通过分散于反应体系中的铂纳米颗粒在电场下发生的催化水分解反应，原位生产羟基自由基，有效增加了有机物分子在溶液中与羟基自由基接触的效率。2.纳米颗粒的布朗运动，使本体系无需通过搅拌即可强化传质过程；3.无需依赖电极反应即可实现有机染料分子的降解，能够延长电极使用寿命。附图说明图1铂纳米颗粒(a)透射电镜图片，插图为高分辨透射电镜图片，(b)XRD图谱，(c)在水溶液和盐溶液中的动态光散射粒度分析。图2双盐桥体系隔离铂电极反应，验证催化氧化有机物效果的实验装置图。图3外加输出电压与闭合回路内电流以及反应容器两端电压的关系。图4(a)亚甲基蓝降解速率曲线，对比无处理、只加铂颗粒无电场、只加电场无铂颗粒与加电场加铂颗粒四种情况；(b)改变外加电压亚甲基蓝降解效率的变化；(c)亚甲基蓝降解效果与反应容器两端电压的关系。图5随反应时间增加，羟基自由基荧光探针APF强度的变化曲线。图6(a)相同方法合成相同尺寸、相同浓度的Pt、Pd、Ir和Au纳米颗粒图示；(b)四种纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱；(c)四种纳米颗粒的动态光散射粒径分布；(d)四种纳米颗粒降解亚甲基蓝的效果；(e-h)四种纳米颗粒降解亚甲基蓝过程中随时间变化的紫外-可见吸收光谱。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术作进一步的说明。实例1本专利技术所述铂纳米颗粒通过硼氢化钠还原法制得，PVP作为稳定剂，最终产物粒径在10～15nm之间，能够在水和盐溶液中稳定分散。称取64mgPVP与1ml六水合氯铂酸混合与圆底烧瓶中，另配制22mg硼氢化钠溶于36ml冰水中备用，将硼氢化钠的水溶液逐滴加入到圆底烧瓶中，室温下搅拌4小时，得到的铂纳米颗粒产物通过100kDa超滤管浓缩。图1(a)是铂纳米颗粒的TEM图。从中可以看出铂纳米颗粒具有较均匀的尺寸分布。测量插图高分辨透射电镜图中的晶格条纹可得晶面间距分别为0.19nm与0.23nm，与JCPDS卡片的面心立方铂(PDF#04-0802)对应。(b)图的XRD图谱进一步证明了这一结果。这种方法合成的铂颗粒在水和盐溶液中均具有很好的分散性，从动态光散射(c)图中可以看出，铂纳米颗粒的粒径约为15nm。该方法合成的铂纳米颗粒尺寸均一，粒径小，具有高比表面积，便于后续表面催化反应的进行。在水溶液与盐溶液中良好的稳定性，为在有机染料废水中能够均匀稳定的分散奠定了基础。实例2为屏蔽电极上反应的影响，证明仅通过铂纳米颗粒就可以实现有机物的降解，设计了图2的双盐桥反应装置，并利用亚甲基蓝作为模拟目标有机物证明电场下铂纳米颗粒的催化氧化能力。由于含有机染料分子的反应容器两端电压小于输出电压，因此图3确定了体系中输出电压与反应容器实际电压和电流呈线性关系，进一步明确了铂纳米颗粒能够起催化氧化效果所需施加电压与电流的实际参数。图4(a)是在外加输出电压为20V，实际电压7V的直流电场下，铂纳米颗粒对浓度为10mg/L亚甲基蓝有机染料分子降解的效果。对比不做任何处理、仅施加电场不加铂纳米颗粒以及仅加铂纳米颗粒无外加电场三种情况，可以证明铂纳米颗粒与外加电场是催化氧化亚甲基蓝降解的必要条件。图(b)通过改变外加电场电压从3V～20V，随着电压的增加，铂纳米颗粒对亚甲基蓝的降解效果逐渐增加，且亚甲基蓝的降解程度与电压呈正比线性关系，见图(c)，证明在本专利技术中，外加电场是影响催化氧化亚甲基蓝的降解的关键。利用羟基自由基荧光探针APF检测铂纳米颗粒在电场下产生羟基自由基的情况，从图5可以看出，无铂纳米颗粒和无外加电场两种情况中，荧光探针APF的荧光强度几乎无变化，而铂纳米颗粒与外加电场共同施加时，APF的荧光强度随时间明显增加，说明在反应容器中有羟基自由基产生。实例3为进一步探究铂纳米颗粒在降解有机染料分子亚甲基蓝中的作用，本专利技术中用相同方法合成了其他三种贵金属纳米颗粒：Pd、Ir和Au，并研究了其对亚甲基蓝降解的效果。选用相同浓度(100μm/ml，见图6a)和相似尺寸(约16nm，见图6c)的四种贵金属纳米颗粒，其紫外-可见光谱吸收见图6b。图6(d)为外加输出电压为20V时，降解浓度为10mg/L亚甲基蓝有机染料分子效果，详细亚甲基蓝紫外-可见吸收光谱随时间的变化见图e-h。从中可以看出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法，其特征在于，该方法为：将铂纳米颗粒均匀分散于待降解的有机物的溶液中，作为电解液进行电解；所述有机物的溶液含有水和用于导电的离子；铂纳米颗粒在电场作用下的催化水分解反应，产生羟基自由基，催化氧化有机物分解为二氧化碳、水和无机离子。

【技术特征摘要】
1.一种基于铂纳米颗粒均相电催化体系降解有机物的方法，其特征在于，该方法为：将铂纳米颗粒均匀分散于待降解的有机物的溶液中，作为电解液进行电解；所述有机物的溶液含有水和用于导电的离子；铂纳米颗粒在电场作用下的催化水分解反应，产生羟基自由基，催化氧化有机物分解为二氧化碳、水和无机离子。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，铂纳米颗粒采用PVP作为稳定剂的室温硼氢化钠还原法合成，在水溶液中稳定悬浮不沉降。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾桐旭，李翔，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33