阴极电Fenton协同阳极高效氧化降解全氟化合物的方法及机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21677106
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    58.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0603.大气污染与控制化学
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Perfluorinated compounds (PFCs) possess high toxicity, environmental persistence and chemical stability. The extensive use of PFCs has resulted in their release into natural environmental matrices. Therefore, it is urgent to develop effective methods for removing PFCs. In this project, we propose a novel electrochemical oxidation method which was assisted with electro-Fenton technology. The “FeCu bimetal-carbon” aerogel was firstly fabricated as cathode through a simple one-step process from metal-resin precursors, and then activated by CO2 and N2 sequentially at a given temperature. The CO2 activation enhanced the accessibility of the aerogel’s pores, and the secondary N2 activation enlarged the porosity and regenerated the ultradispersed bimetallic iron and copper with reductive carbon. After the activation, the BET surface area of carbon aerogel was greatly increased, beneficial to the 2e reduction of oxygen to form H2O2, while the regenerated iron and copper with ultradispersity can efficiently decomposed H2O2 to form ∙OH. During this novel electrochemical oxidation process, at the onset, PFCs transfer an electron to the anode and form PFCs radicals. The highly unstable PFCs radicals undergo Kolbe decarboxylation or desulfonated reaction to form perfluoroalkyl radicals. Subsequently, the perfluoroalkyl radicals react with large amount of ∙OH, yielding progressively shorter chained PFCs, until complete mineralization occurs. The synergistic effect between anodic electrochemical (EC) oxidation and cathodic electro-Fenton (EF) oxidation greatly improve the electron utilization and reduce the energy consumption. Moreover, main emphasis is also placed on the understanding the synergistic effect mechanism between anodic EC and cathodic EF reaction. Results concerning the characterization of generated radicals during the degradation process are studied in detail with in-situ EC-EPR combined technology. Finally, the reasonable catalytic reaction mechanism would be also investigated through the determination and analysis of intermediate pollutant products.
全氟化合物(PFCs)是一类毒性高、难生化降解且分子结构稳定的污染物。本项目针对这一难题,提出一种阴极电Fenton协同阳极氧化PFCs的电化学新方法。采用简便的一步合成法制得“FeCu双金属-碳”气凝胶,并经CO2–N2二步活化,构筑出高活性的电Fenton阴极:超高比表面“碳”,有利于O2发生2电子还原产生H2O2;活化时原位再生的超分散、小尺寸“FeCu双金属”,有利于H2O2迅速催化分解产生∙OH。在该新方法处理过程中,PFCs 首先在具有高析氧电位的阳极失去1电子,易诱导形成全氟烃基自由基,继而在阴极产生的大量∙OH作用下,快速发生后续的氧化和矿化。阴阳电极并行协同氧化,充分体现电子的经济利用和处理的低能耗。利用电化学–EPR联用等原位技术,揭示阴极电Fenton产生∙OH的效率,掌握污染物中间体自由基的形成和变化规律,阐明阴阳电极协同氧化的作用机制。解析中间产物,阐释反应机理。

结项摘要

全氟化合物(PFCs)是一类毒性高、难生物降解且分子结构稳定的污染物。本项目提出阴阳极协同高效降解PFCs的电化学新方法,PFCs(CnF2n+1COO-)首先在阳极失去一个电子形成PFCs自由基(CnF2n+1COO-),继而脱羧形成全氟烃基自由基(CnF2n+1∙),随后该自由基与∙OH形成不稳定中间体CnF2n+1OH,再进一步反应形成新的短链PFCs或者PFCs自由基,循环氧化直至被完全矿化,因此电子转移能力和·OH浓度是决定PFCs降解效率的关键因子。电子转移能力由阳极的电化学活性决定,而∙OH的产生效率则由阴极氧还原的性能决定。研究结果表明,掺硼金刚石BDD阳极具有强的PFCs失电子能力,而双金属碳气凝胶阴极(FeCuCA,FeMnCA)则能实现电化学还原分子氧原位产生·OH。通过一步合成法将铁、铜或者铁、锰双金属原位生长到具有3D网络结构的碳气凝胶矩阵结构中,不仅克服传统负载型异相催化剂易脱落、易凝聚等难题,提高活性中心的稳定性。同时利用CO2–N2的二步高温活化方法,通过CO2与CA反应产生气体CO实现扩孔作用,增加比表面积。N2活化则利用高温条件下基底CA的还原性,原位还原在CO2活化过程产生的金属氧化物,原位再生具有高分散性的纳米金属颗粒,又能降低金属颗粒的尺寸,从而增加了其反应位点的芬顿活性。以BDD为阳极、FeMnCA为阴极的协同电催化体系中降解全氟辛酸(PFOA),4小时后PFOA的去除率为97%,总有机碳(TOC)去除率达到93%,体现了阴极电芬顿和阳极氧化的高效协同作用,随着降解时间的增长,中间产物C6F13COO-的量逐渐降低,而C5F13COO-、C4F9COO-、C3F7COO- C2F5COO-以及CF3COO-的浓度逐渐增加,结合溶液和电极表面中氟原子的NEXAFS图谱分析,进一步证实了阳极氧化和阴极电芬顿之间持续的协同电催化作用。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(6)
Selectively photoelectrocatalytic reduction of oxygen to hydroxyl radical and singlet oxygen: Mechanism and validation in coal wastewater
煤废水中氧气选择性光电催化还原为羟基自由基和单线态氧:机理及验证
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2021.119908
  • 发表时间:
    2021-01-22
  • 期刊:
    APPLIED CATALYSIS B-ENVIRONMENTAL
  • 影响因子:
    22.1
  • 作者:
    Feng, Zhiyuan;Tian, Qingling;Zhao, Guohua
  • 通讯作者:
    Zhao, Guohua
Selective catalytic two-electron O-2 reduction for onsite efficient oxidation reaction in heterogeneous electro-Fenton process
选择性催化双电子 O-2 还原,用于非均相电 Fenton 过程中的现场高效氧化反应
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2017.09.093
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Zhao Hongying;Qian Lin;Chen Ying;Wang Qingning;Zhao Guohua
  • 通讯作者:
    Zhao Guohua
Efficiently degradation of perfluorooctanoic acid in synergic electrochemical process combining cathodic electro-Fenton and anodic oxidation
阴极电芬顿和阳极氧化相结合的协同电化学过程有效降解全氟辛酸
  • DOI:
    10.1016/j.cej.2019.122071
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    Chemical Engineering Journal
  • 影响因子:
    15.1
  • 作者:
    Wang Qingning;Liu Mingyue;Zhao Hongying;Chen Ying;Xiao Fan;Chu Wenhai;Zhao Guohua
  • 通讯作者:
    Zhao Guohua
Efficient removal of dimethyl phthalate with activated iron-doped carbon aerogel through an integrated adsorption and electro-Fenton oxidation process
通过集成吸附和电芬顿氧化工艺,用活性铁掺杂碳气凝胶有效去除邻苯二甲酸二甲酯
  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2017.08.034
  • 发表时间:
    2017-11
  • 期刊:
    Carbon
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Zhao Hongying;Wang Qingning;Chen Ying;Tian Qingling;Zhao Guohua
  • 通讯作者:
    Zhao Guohua
Simultaneously accelerating the regeneration of FeII and the selectivity of 2e- oxygen reduction over sulfide iron-based carbon aerogel in electro-Fenton system
电芬顿体系中硫化物铁基碳气凝胶同时加速FeII的再生和2e-氧还原的选择性
  • DOI:
    10.1016/j.apcatb.2020.119039
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    Applied Catalysis B: Environmental
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Tian Qingling;Xiao Fan;Zhao Hongying;Fei Xianbin;Shen Xuqian;Postole Georgeta;Zhao Guohua
  • 通讯作者:
    Zhao Guohua

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无人机电子稳像技术中角点检测算法的改进
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赵红颖的其他基金

分子氧(2+1)e电催化还原高效产生羟基自由基及降解污染物机制
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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