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ACS Appl. Mater. Interfaces:电催化膜电极中一维RuO2/TiO2异质纳米结构的界面构

2020-04-20   易丝帮

DOI: 10.1021/acsami.0c02552

采用电催化膜反应器分解微污染物具有高效、环保等优点,是先进传统氧化工艺的一种很有前途的替代方法。膜电极中电催化剂的合理界面设计对反应器的性能至关重要。本文通过在碳纳米纤维膜上原位生长一维RuO2/TiO2异质结纳米棒,采用简单的水热及随后的热处理方法,制备了三维多孔膜电极。膜电极在重力驱动的电催化膜反应器中用作阳极,对双酚A和磺胺嘧啶的降解效率高达98%以上。优异的电催化性能归因于一维RuO2/TiO2异质界面结构,该结构提供了快速的电子转移、较高的羟基自由基生成率和较大的有效表面积。该项研究为理解和设计用于废水处理的新型高效、低耗的电催化膜开辟了一条新的途径。

 

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图1.RuO2/TiO2 NRs/CNF膜电极的制备和表征。(a)制作过程的示意图。(b-d)(b)原始CNF、(c)固定在CNF上的RuO2/TiO2种子和(d)RuO2/TiO2 NRs/CNF的(b-d)SEM图像。(e)原始CNF、TiO2 NRs/CNF和RuO2/TiO2 NRs/CNF的拉曼光谱。(f)原始CNF、合成的裸RuO2粉末、裸TiO2粉末和RuO2/TiO2 NRs/CNF的XRD图谱。


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图2.RuO2/TiO2 NRs/CNF膜电极的表征。(a)RuO2/TiO2 NRs/CNF的TEM图像。(b)Ti、O和Ru的EDS映射,以及(c)RuO2/TiO2 NR的HRTEM图像。(d-f)XPS光谱显示(d)RuO2/TiO2 NRs/CNF和原始CNF的C1s+Ru3d,以及(e)RuO2/TiO2 NRs/CNF和裸TiO2粉末的Ti2p和(f)O1s。


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图3.在1mM K3[Fe(CN)6]+100 mM KCl中测得的电化学特征。(a)原始CNF、TiO2 NRs/CNF和RuO2/TiO2 NRs/CNF的CV曲线,扫描速率为10 mV s-1;(b)扫描速率的平方根与峰值电流密度之间的关系;(c)原始CNF、TiO2 NRs/CNF和RuO2/TiO2 NRs/CNF的LSV曲线,扫描速率为10 mV s-1;(d)原始CNF、TiO2 NRs/CNF和RuO2/TiO2 NRs/CNF的奈奎斯特图。


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4.使用不同膜电极的GD-ECMR的电催化过滤性能。(a)定制的GD-ECMR的示意图。(b)原始CNF、TiO2 NRs/CNF和RuO2/TiO2 NRs/CNF的羟基(·OH)的甲基蓝去除性能和(c)DMPO自旋捕集ESR光谱。反应条件:进料为200 mg L-1甲基蓝溶液,10 mM Na2SO4作为水性电解质,恒定电流密度为1.0 mA cm-2。(d) 以RuO2/TiO2 NRs/CNF为反应介质,在恒电流密度为1.0 mA cm-2,进料量为500μg L-1的条件下,对磺胺嘧啶和双酚A的去除率随操作时间的延长而提高。


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图5.用于高效微污染物分解的RuO2/TiO2 NRs/CNF膜电极的示意图。


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