钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

孙猛 李景虹

引用本文: 孙猛,  李景虹. 钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 198-210. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609191 shu
Citation:  SUN Meng,  LI Jing-Hong. Recent Progress on Palladium-Based Oxygen Reduction Reaction Electrodes for Water Treatment[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(1): 198-210. doi: 10.3866/PKU.WHXB201609191 shu

钯基氧还原反应电极的构筑及其在水处理领域的研究进展

    作者简介: 孙猛,1986年生。获得中国科学院生态环境研究中心环境工程博士学位。现于耶鲁大学从事博士后研究。研究领域:新型电极材料的合成及其在能源与环境领域中的应用、电化学水质净化技术与原理研究、膜水处理技术;李景虹,1967年生。清华大学化学系教授、博士生导师。主讲课程:仪器分析、化学与社会。研究领域:电分析化学、生物传感分析、单细胞分析、纳米电化学。;

  • 基金项目:

    国家重点研究和发展项目(2016YFA0203101),国家重点基础研究发展计划(2013CB934004),国家自然科学基金(51572139)和清华大学计划科研项目资助

摘要: 发展氧气还原反应(ORR)的二电子高效电催化剂一直是燃料电池领域的研究热点,但针对具有二电子还原特征且可应用于水处理领域电极材料的研究还处在起步阶段。本综述介绍了近年来二电子还原特征的贵金属电极材料及其在电催化处理水中污染物的研究进展。在Fe2+存在下,Pd基电极材料催化氧气还原合成H2O2,间接催化氧化水中有机污染物,实现有机物的矿化降解和水质的净化;Pd基电极催化还原水中有机污染物、无机盐等,将其转化为低毒性、易处理产物并彻底去除;Pd基催化电极的高效电子传导性能增强了水中重金属离子的氧化/还原转化,实现重金属去除。本综述展望了纳米电极材料在水处理应用的机遇与发展方向。

English

    1. [1]

      Shao, M. H.; Chang, Q.W.; Dodelet, J. P.; Chenitz, R. Chem. Rev. 2016, 116, 3594. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00462

    2. [2]

      Liu, M. M.; Zhang, R. Z.; Chen, W. Chem. Rev. 2014, 114, 5117. doi: 10.1021/cr400523y

    3. [3]

      Chlistunoff, J. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6496. doi: 10.1021jp108350t

    4. [4]

      Levy, N.; Mahammed, A.; Kosa, M.; Major, D. T.; Gross, Z.; Elbaz, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 14080. doi: 10.1002anie.201505236

    5. [5]

      Zheng, Y. R.; Gao, M. R.; Li, H. H.; Gao, Q.; Arshad, M. N.; Albar, H. A.; Sobahi, T. R.; Yu, S. H. Sci. China. Mater. 2015, 58, 179. doi: 10.1007/s40843-015-0034-5

    6. [6]

      Brillas, E.; Sirés, I.; Oturan, M. A. Chem. Rev. 2009, 109, 6570. doi: 10.1021/cr900136g

    7. [7]

      Luo, L. X.; Shen, S. Y.; Zhu, F. J.; Zhang, J. L. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 337. [罗柳轩, 沈水云, 朱凤鹃, 章俊良. 物理化学学报, 2016, 32, 337.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201509144

    8. [8]

      Chen, A.; Ostrom, C. Chem. Rev. 2015, 115, 11999. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00324

    9. [9]

      Zhang, H.; Jin, M.; Xiong, Y.; Lim, B.; Xia, Y. Accounts Chem. Res. 2013, 46, 1783. doi: 10.1021/ar300209w

    10. [10]

      Zhu, C.; Zeng, J.; Lu, P.; Chlistunoff, J.; Gu, Z.; Xia, Y.Chemistry 2013, 19, 5127. doi: 10.1002/chem.201203787

    11. [11]

      Yarulin, A. E.; Crespo-Quesada, R. M.; Egorova, E. V.; Kiwi-Minsker, L. L. Kinet. Catal. 2012, 53, 253. doi: 10.1134s0023158412020152

    12. [12]

      Jin, M.; Zhang, H.; Xie, Z.; Xia, Y. Energ. Environ Sci. 2012, 5, 6352. doi: 10.1039/C2EE02866B

    13. [13]

      Liu, L.; Yoo, S. H.; Lee, S. A.; Park, S. Nano Lett. 2011, 11, 3979. doi: 10.1021/nl202332x

    14. [14]

      Tian, N.; Zhou, Z. Y.; Sun, S. G. Chem. Commun. 2009, 12, 1502. doi: 10.1039/b819751b

    15. [15]

      Cui, C. H.; Yu, J.W.; Li, H. H.; Gao, M. R.; Liang, H.W.; Yu, S.H. ACS Nano 2011, 5, 4211. doi: 10.1021/nn2010602

    16. [16]

      Adams, B. D.; Asmussen, R. M.; Ostrom, C. K.; Chen, A. C. J. Phys. Chem. C 2014, 118, 29903. doi: 10.1021/jp5095273

    17. [17]

      Semaltianos, N. G.; Petkov, P.; Scholz, S.; Guetaz, L. J. Colloid Interface Sci. 2013, 402, 307. doi: 10.1016/j.jcis.2013.03.062

    18. [18]

      Jukk, K.; Alexeyeva, N.; Sarapuu, A.; Ritslaid, P.; Kozlova, J.; Sammelselg, V.; Tammeveski, K. Int. J. Hydrog. Energy 2013, 38, 3614. doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.062

    19. [19]

      Adams, B. D.; Wu, G.; Nigro, S.; Chen, A. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 6930. doi: 10.1021/ja901798u

    20. [20]

      Gu, L.; Luo, N.; Miley, G. H. J. Power Sources 2007, 173, 77. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.005

    21. [21]

      Spencer, J. A.; Rosenberg, S. G.; Barclay, M.; Wu, Y. C.; McElwee-White, L.; Fairbrother, D. H. Appl. Phys. A-Mater. 2014, 117, 1631. doi: 10.1007/s00339-014-8570-5

    22. [22]

      Bhuvana, T.; Kulkarni, G. U. ACS Nano 2008, 2, 457. doi: 10.1021/nn700372h

    23. [23]

      Muniz-Miranda, M.; Gellini, C.; Canton, P.; Marsili, P.; Giorgetti, E. J. Alloy. Compd. 2014, 615, S352. doi: 10.1016/j.jallcom.2013.12.064

    24. [24]

      Kim, J.; Reddy, D. A.; Ma, R.; Kim, T. K. Solid State Sci. 2014, 37, 96. doi: 10.1016/j.solidstatesciences.2014.09.005

    25. [25]

      Kuai, L.; Yu, X.; Wang, S.; Sang, Y.; Geng, B. Langmuir 2012, 28, 7168. doi: 10.1021/la300813z

    26. [26]

      Xu, H.; Tong, Y. X.; Li, G. R. Acta Phys. -Chim. Sin. 2016, 32, 2171. [许瀚, 童叶翔, 李高仁. 物理化学学报, 2016, 32, 2171.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201606131

    27. [27]

      Kang, W.; Li, H.; Yan, Y.; Xiao, P.; Zhu, L.; Tang, K.; Zhu, Y.; Qian, Y. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 6250. doi: 10.1021jp111702s

    28. [28]

      Ji, Y. G.; Wu, L.; Fan, Q. H. Acta Chim. Sin. 2014, 72, 798. [季益刚, 吴磊, 范青华. 化学学报, 2014, 72, 798.] doi: 10.6023A14040325

    29. [29]

      Chen, C. C.; Lin, C. L.; Chen, L. C. Electrochim. Acta 2015, 152, 408. doi: 10.1016/j.electacta.2014.11.116

    30. [30]

      Feng, Q. C.; Wang, W. Y.; Cheong, W. C.; Wang, D. S.; Peng, Q.; Li, J. P.; Chen, C.; Li, Y. D. Sci. China Mater. 2015, 58, 936. doi: 10.1007/s40843-015-0109-3

    31. [31]

      Ye, J. S.; Chen, C.W.; Lee, C. L. Sensor. Actuat. B-Chem. 2015, 208, 569. doi: 10.1016/j.snb.2014.11.091

    32. [32]

      Ojani, R.; Abkar, Z.; Hasheminejad, E.; Raoof, J. B. Int. J. Hydrog. Energy 2014, 39, 7788. doi: 10.1016/j.ijhydene.2014.03.081

    33. [33]

      Spencer, J. A.; Rosenberg, S. G.; Barclay, M.; Wu, Y. C.; McElwee-White, L.; Howard Fairbrother, D. Appl. Phys. A 2014, 117, 1631. doi: 10.1007/s00339-014-8570-5

    34. [34]

      Barzola-Quiquia, J.; Schulze, S.; Esquinazi, P. Nanotechnology 2009, 20, 165704. doi: 10.1088/0957-4484/20/16/165704

    35. [35]

      Torrisi, L.; Caridi, F.; Giuffrida, L. Nucl. Instrum. Meth. B 2010, 268, 2285. doi: 10.1016/j.nimb.2010.03.029

    36. [36]

      Mortazavi, S. Z.; Parvin, P.; Reyhani, A.; Golikand, A. N.; Mirershadi, S. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 5049. doi: 10.1021jp1091224

    37. [37]

      Sun, L. M.; Zhang, C.; Bao, Y. R.; Li, H. X. J. Electrochem. 2014, 20, 56. [孙丽美, 张铖, 包英荣, 李宏霞. 电化学, 2014, 20, 56.] doi: 10.13208/j.electrochem.121110

    38. [38]

      Nguyen, T. T.; Pan, C. J.; Liu, J. Y.; Chou, H. L.; Rick, J.; Su, W.N.; Hwang, B. J. J. Power Sources 2014, 251, 393. doi: 10.1016j.jpowsour.2013.11.084

    39. [39]

      Lee, Y.W.; Kim, M.; Kim, Z. H.; Han, S.W. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17036. doi: 10.1021/ja905603p

    40. [40]

      Xu, J.; Wilson, A. R.; Rathmell, A. R.; Howe, J.; Chi, M.; Wiley, B. J. ACS Nano 2011, 5, 6119. doi: 10.1021/nn201161m

    41. [41]

      Choi, S.; Jeong, H.; Choi, K. H.; Song, J. Y.; Kim, J. ACS Applied Materials & Interfaces 2014, 6, 3002. doi: 10.1021am405601g

    42. [42]

      Yang, D.; Carpena-Núñez, J.; Fonseca, L. F.; Biaggi-Labiosa, A.; Hunter, G.W. Sci. Rep. 2014, 4, 3773. doi: 10.1038srep03773

    43. [43]

      Robert, C.; M.; Evan, U.; Cao, G. Z. Sci. China Mater. 2015, 58, 715. doi: 10.1007/s40843-015-0084-8

    44. [44]

      Plowman, B. J.; Bhargava, S. K.; O'Mullane, A. P. Analyst 2011, 136, 5107. doi: 10.1039/C1AN15657H

    45. [45]

      Shih, Z. Y.; Wang, C.W.; Xu, G.; Chang, H. T. J. Mater. Chem. A 2013, 1, 4773. doi: 10.1039/C3TA01664A

    46. [46]

      Yang, L.; Hu, C.; Wang, J.; Yang, Z.; Guo, Y.; Bai, Z.; Wang, K.Chem. Commun. 2011, 47, 8581. doi: 10.1039/C1CC12528A

    47. [47]

      Cernohorsky, O.; Zdansky, K.; Zavadil, J.; Kacerovsky, P.; Piksova, K. Nanoscale Res. Lett. 2011, 6, 410. doi: 10.11861556-276X-6-410

    48. [48]

      Choudhary, V. R.; Samanta, C.; Choudhary, T. V. Appl. Catal. AGen. 2006, 308, 128. doi: 10.1016/j.apcata.2006.04.010

    49. [49]

      Choudhary, V. R.; Samanta, C.; Jana, P. Appl. Catal. A-Gen. 2007, 332, 70. doi: 10.1016/j.apcata.2007.08.004

    50. [50]

      Deguchi, T.; Iwamoto, M. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 18540. doi: 10.1021/jp4056297

    51. [51]

      Li, J.; Ishihara, T.; Yoshizawa, K. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 25359. doi: 10.1021/jp208118e

    52. [52]

      Li, J.; Staykov, A.; Ishihara, T.; Yoshizawa, K. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 7392. doi: 10.1021/jp1070456

    53. [53]

      Li, G.; Han, J.; Wang, H.; Zhu, X.; Ge, Q. ACS Catal. 2015, 5, 2009. doi: 10.1021/cs501805y

    54. [54]

      Sheth, P. A.; Neurock, M.; Smith, C. M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 2009. doi: 10.1021/jp021342p

    55. [55]

      Ham, H. C.; Hwang, G. S.; Han, J.; Nam, S.W.; Lim, T. H. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 12943. doi: 10.1021/jp9043545

    56. [56]

      Huang, Y.; Ferhan, A. R.; Dandapat, A.; Yoon, C. S.; Song, J. E.; Cho, E. C.; Kim, D. H. J. Phys. Chem. C 2015, 119, 26164. doi: 10.1021/acs.jpcc.5b08423

    57. [57]

      Jirkovský, J. S.; Panas, I.; Ahlberg, E.; Halasa, M.; Romani, S.; Schiffrin, D. J. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 19432. doi: 10.1021/ja206477z

    58. [58]

      Jin, X.; Dang, L.; Lohrman, J.; Subramaniam, B.; Ren, S.; Chaudhari, R. V. ACS Nano 2013, 7, 1309. doi: 10.1021nn304820v

    59. [59]

      Verdaguer-Casadevall, A.; Deiana, D.; Karamad, M.; Siahrostami, S.; Malacrida, P.; Hansen, T.W.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I.; Stephens, I. E. L. Nano Lett. 2014, 14, 1603. doi: 10.1021/nl500037x

    60. [60]

      Yuan, S.; Fan, Y.; Zhang, Y.; Tong, M.; Liao, P. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 8514. doi: 10.1021/es2022939

    61. [61]

      Luo, M.; Yuan, S.; Tong, M.; Liao, P.; Xie, W.; Xu, X. Water Res. 2014, 48, 190. doi: 10.1016/j.watres.2013.09.029

    62. [62]

      Yuan, S.; Mao, X.; Alshawabkeh, A. N. Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 3398. doi: 10.1021/es204546u

    63. [63]

      Sun, M.; Zhang, G.; Liu, Y.; Liu, H.; Qu, J.; Li, J. Chem. Eur. J. 2015, 21, 7611. doi: 10.1002/chem.201406676

    64. [64]

      Qin, Y.; Sun, M.; Liu, H.; Qu, J. Electrochim. Acta 2015, 186, 328. doi: 10.1016/j.electacta.2015.10.122

    65. [65]

      Liao, P.; Yuan, S.; Chen, M.; Tong, M.; Xie, W.; Zhang, P.Environ. Sci. Technol. 2013, 47, 7918. doi: 10.1021/es401730s

    66. [66]

      Yuan, S.; Liao, P.; Alshawabkeh, A. N. Environ. Sci. Technol. 2014, 48, 656. doi: 10.1021/es404535q

    67. [67]

      Yuan, S.; Chen, M.; Mao, X.; Alshawabkeh, A. N. Water Res. 2013, 47, 269. doi: 10.1016/j.watres.2012.10.009

    68. [68]

      Mao, X.; Yuan, S.; Fallahpour, N.; Ciblak, A.; Howard, J.; Padilla, I.; Loch-Caruso, R.; Alshawabkeh, A. N. Environ. Sci. Technol. 2012, 46, 12003. doi: 10.1021/es301711a

    69. [69]

      Demoisson, F.; Mullet, M.; Humbert, B. Environ. Sci. Technol. 2005, 39, 8747. doi: 10.1021/es050717s

    70. [70]

      Falayi, T.; Ntuli, F. J. Ind. Eng. Chem. 2014, 20, 1285. doi: 10.1016/j.jiec.2013.07.007

    71. [71]

      Kimbrough, D. E.; Cohen, Y.; Winer, A. M.; Creelman, L.; Mabuni, C. Crit. Rev. Env. Sci. Tec. 1999, 29, 1. doi: 10.108010643389991259164

    72. [72]

      Rifkin, E.; Gwinn, P.; Bouwer, E. Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 267A. doi: 10.1021/es040575m

    73. [73]

      Scialdone, O.; D'Angelo, A.; De Lumè, E.; Galia, A.Electrochim. Acta 2014, 137, 258. doi: 10.1016/j.jiec.2013.07.007

    74. [74]

      Qian, A.; Liao, P.; Yuan, S.; Luo, M. S. Water Res. 2014, 48, 326. doi: 10.1016/j.watres.2013.09.043

    75. [75]

      O'Day, P. A.; Vlassopoulos, D.; Root, R.; Rivera, N. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2004, 101, 13703. doi: 10.1073pnas.0402775101

    76. [76]

      Kim, D. H.; Bokare, A. D.; Koo, M. S.; Choi, W. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 3506. doi: 10.1021/es5056897

    77. [77]

      Sun, M.; Zhang, G.; Qin, Y.; Cao, M.; Liu, Y.; Li, J.; Qu, J.; Liu, H. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 9289. doi: 10.1021/acs.est.5b01759

    78. [78]

      Qian, A.; Yuan, S.; Zhang, P.; Tong, M. Environ. Sci. Technol. 2015, 49, 5689. doi: 10.1021/acs.est.5b00808

    79. [79]

      Wan, D.; Liu, H.; Zhao, X.; Qu, J.; Xiao, S.; Hou, Y. J. Colloid Interface Sci. 2009, 332, 151. doi: 10.1016/j.cej.2014.10.081

    80. [80]

      Li, A.; Zhao, X.; Hou, Y.; Liu, H.; Wu, L.; Qu, J. Appl. Catal. BEnviron. 2012, 111112, 628. doi: 10.1016/j.apcatb.2011.11.016

    81. [81]

      Zhao, X.; Li, A.; Mao, R.; Liu, H.; Qu, J. Water Res. 2014, 51, 134. doi: 10.1016/j.watres.2013.12.028

    82. [82]

      Mao, R.; Zhao, X.; Lan, H.; Liu, H.; Qu, J. Appl. Catal. BEnviron. 2014, 160161, 179. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.04.040

    83. [83]

      Mao, R.; Zhao, X.; Qu, J. Electrochim. Acta 2014, 132, 151. doi: 10.1016/j.electacta.2014.03.170

    84. [84]

      Xie, W.; Yuan, S.; Mao, X.; Hu, W.; Liao, P.; Tong, M.; Alshawabkeh, A. N. Water Res. 2013, 47, 3573. doi: 10.1016/j.watres.2013.04.004

    85. [85]

      Wang, J.; Zhou, J.; Hu, Y.; Regier, T. Energ. Environ. Sci. 2013, 6, 926. doi: 10.1039/C2EE23844F

    86. [86]

      Ai, Z.; Xiao, H.; Mei, T.; Liu, J.; Zhang, L.; Deng, K.; Qiu, J. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 11929. doi: 10.1021/jp803243t

    87. [87]

      Fu, L. J.; Gao, J.; Zhang, T.; Cao, Q.; Yang, L. C.; Wu, Y. P.; Holze, R. J. Power Sources 2007, 171, 904. doi: 10.1016/j.jpowsour.2007.05.099

    88. [88]

      Zana, A.; Rüdiger, C.; Kunze-Liebhäuser, J.; Granozzi, G.; Reeler, N. E. A.; Vosch, T.; Kirkensgaard, J. J. K.; Arenz, M.Electrochim. Acta 2014, 139, 21. doi: 10.1016/j.electacta.2014.07.002

    89. [89]

      Ishihara, A.; Tamura, M.; Ohgi, Y.; Matsumoto, M.; Matsuzawa, K.; Mitsushima, S.; Imai, H.; Ota, K. I. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 18837. doi: 10.1021/jp405247m

    90. [90]

      Liu, Y.; Shrestha, S.; Mustain, W. E. ACS Catal. 2012, 2, 456. doi: 10.1021/cs200657w

    91. [91]

      Neelgund, G. M.; Oki, A.; Luo, Z. J. Colloid Interface Sci. 2014, 430, 257. doi: 10.1016/j.jcis.2014.04.053

    92. [92]

      Ma, J.; Liu, R.; Wang, X.; Liu, Q.; Chen, Y.; Valle, R. P.; Zuo, Y.Y.; Xia, T.; Liu, S. ACS Nano 2015, 9, 10498. doi: 10.1021acsnano.5b04751

    93. [93]

      Qu, G.; Liu, S.; Zhang, S.; Wang, L.; Wang, X.; Sun, B.; Yin, N.; Gao, X.; Xia, T.; Chen, J. J.; Jiang, G. B. ACS Nano 2013, 7, 5732. doi: 10.1021/nn402330b

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  2
  • 文章访问数:  1208
  • HTML全文浏览量:  177
文章相关
  • 收稿日期:  2016-07-18
  • 修回日期:  2016-09-16
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章