SDBS改性的Mg-Fe类水滑石-活性炭-EDTA电极的制备及其对铜(II)的电化学催化氧化行为的研究化学专业毕业论文

2011届（09级）专升本毕业论文SDBS改性的Mg-Fe类水滑石-活性炭-EDTA电极的制备及其对铜(II)的电化学催化氧化行为的研究 学 号 姓 名 指导教师 x x x专 业 化 学完成时间：2011年06月目 录摘要I关键词I1 引言11.1类水滑石综述11.1.1类水滑石的结构11.1.2 类水滑石的性质11.1.3 类水滑石的制备21.1.4类水滑石的应用31.2电化学工作站简介41.3循环伏安法的原理及简介51.3.1循环伏安法概念51.3.2基本原理51.3.3循环伏安法的应用51.3.4循环伏安法的用途62实验部分62.1试剂与仪器62.2电极的制作及溶液的配制62.3电化学测定73结果与讨论73.1电极材料配比对电化学测定的影响73.2不同浓度的Cu(II)对电化学测定的影响83.3不同扫描速率对电化学测定的影响94结论11参考文献12Abstract13Keywords13致 谢14运城学院专升本毕业论文SDBS改性的Mg-Fe类水滑石-活性炭-EDTA电极的制备及其对铜(II)的电化学催化氧化行为的研究 摘要：本文探究了用十二烷基苯磺酸钠修饰的类水滑石电极的制备，并以硫酸铜溶液为体系，对该电极进行了电化学测试。结果表明，类水滑石和EDTA对铜离子的电化学氧化有一定的协同作用；峰电流与电解液浓度的关系为：y=3.3859410-4+7.0962110-4x (R2=0.99256)；峰电流与扫描速率的关系为：y=1.7410-4+7.210-6x (R2=0.9899)，由此可知，铜离子在该电极表面的电化学氧化过程属于吸附控制。关键词：类水滑石 循环伏安法 修饰电极 铜离子I运城学院专升本毕业论文1 引言1.1类水滑石综述1.1.1类水滑石的结构 类水滑石化合物（Hydrotalcitelike compounds,HTlc）是由带正电荷的金属氢氧化物层和层间电荷平衡阴离子构成的层状双金属氢氧化物。可用通式表示为，其中M2+ 是二价金属阳离子，可以有Fe2+，Co2+，Cu2+，Zn2+，Mn2+ 等；M3+ 是三价金属阳离子，可以有Fe3+,Cr3+等，由这些二价和三价金属离子的有效组合，可形成二、三元甚至四元的HTlc。An- 为层间阴离子，可为无机阴离子如Cl-、CO32-等；也可以是有机阴离子，如对苯二甲酸根以及配合物阴离子如Zn(BPS)34-等。A是价数为-n的阴离子，X是M3+与M3+M2+的摩尔比。HTlc单元晶层相互平行重叠形成层状结构，层状结构中的每一层的结构和水镁石Mg(OH)2类似(水镁石为正八面体结构，中心为Mg2+，六个顶点为OH-，相邻的正八面体通过羟基共用边相互连接形成片层)，是由金属(氢)氧八面体靠共用边相互连接而成，但化学组成与水镁石不同，其中部分二价金属离子被三价金属离子代替(称为同晶置换)，称为类水镁石层。类水镁石层相互平行重叠形成HTlc层状结构。层和层之间有孔隙，通常称为通道 (Gallery)。水镁石层是电中性的，而类水镁石层中由于三价金属离子同晶置换部分二价金属离子而带有剩余正电荷。这种由晶体结构本身产生的电荷与外界条件(如分散介质的pH，电解质等)无关，所以称为永久电荷。为维持电中性，在通道中存在阴离子以平衡片层所带的剩余正电荷。通道中的阴离子是可以交换的，所以HTlc具有阴离子交换性，因而也常称为阴离子黏土1。1.1.2 类水滑石的性质HTlc片层化学组成有可调节性，HTlc片层中的二价或三价金属阳离子均可被其它离子半径与之相近的同价金属离子所代替，形成新的HTlc。同价金属离子对类水滑石结构形成影响不同，有的同价金属离子间具有离子浓度叠加效应2，有的则没有3。HTlc具有阴离子交换特性，可使HTlc与许多无机和有机阴离子进行交换，形成具有不同层间阴离子的新HTlc。不同层间阴离子的引入可能使HTLc表面得以改性而改善使用功能，如大分子阴离子的插入可使HTlc层间距变大，使柱撑HTlc的择形催化能力更加显著，得到更多的反应面和暴露更多的活性中心。其阴离子交换能力与其层间阴离子种类有关4。HTlc是带有结构正电荷且有较大比表面的一类物质，因此有较好的吸附性能。未修饰过的HTlc可通过静电引力吸附水中的物质，如腐殖质、农药、三氯苯酚和三硝基苯酚等有机物质5，起到净化水源的目的。经表面修饰的HTlc(如用直链酸进行表面改性)，则可作为疏水性有机化合物的吸附剂。研究认为，HTlc在溶液中优先吸附C032-和P043-，但离子交换吸附能力远低于理论最大值。HTlc经锻烧后得到混合金属氧化物，吸附能力会大大提高。对一些无机离子如Cr042-，Si032-，S042-，CI-，Mn04-吸附研究表明，HTlc锻烧后得到的金属混合氧化物是良好的废水处理剂，核反应废水中一些放射性元素也可用这种吸附剂进行处理。根据国内文献可查知，HTlc表面具有酸碱两种活性中心6。 HTlc 具有一定的热稳定性。加热到一定温度时，HTlc开始分解，热分解过程包括层间水、片层羟基、层间阴离子的脱除及新相的形成。HTlc热分解可形成具有催化活性的金属氧化物固态溶液，这是HTlc一个非常重要的性质。不同金属组成的HTlc热稳定性各有不同7。1.1.3 类水滑石的制备 1942年，Feitknecht等首次用共沉淀法合成了HTlc。制备过程可表示如下：滴加沉淀晶化过滤洗涤老化干燥。人们普遍认为共沉淀法是合成HTlc最可靠有效的办法。因为它可使离子半径相近的两种或两种以上二价和三价金属离子混合在一起，经过反应形成相应的HTlc；同价金属元素混合在一起往往会产生协同效应，因此适用范围广；二价和三价金属离子的原料配比易于调控，可由此获得具不同片层电荷的系列HTlc；也可使不同的阴离子存在于层间，获得所需样品。共沉淀的基本条件是造成过饱和条件的形成。在HTlc的合成中，通常采用的是pH值调节法，其中最重要的是，沉淀的pH值必须高于或至少等于最可溶的金属氢氧化物沉淀的pH值8 。大多数HTlc的制备要求pH在8-10之间。共沉淀法包括非稳态共沉淀法和稳态共沉淀法。非稳态共沉淀法(又称变化pH值法或单液法)，指将金属阳离子先配制成混合金属盐溶液(一般用一价阴离子金属盐，原因是它们都不是特性吸附粒子，易于被其他阴离子所交换)。然后加入共沉淀剂并加以强烈搅拌。随着共沉淀剂的加入，金属离子的浓度及溶液的pH都会发生改变。由于制备时，HTlc晶体粒子的形成时间各不相同，因此，HTlc晶体粒子大小不均匀，粒径分布范围较宽。稳态共沉淀法(又称双液法)，是将分别配制好的混合金属盐溶液和碱液控制滴加到反应容器中，反应过程中金属离子浓度、溶液pH不变。要得到纯净和结晶度良好的水滑石样品，还需注意以下几种条件：(1)合适的组成比，其中x值：0.2x0.34；n值:1/nAn-/M3+1。(2) 非碳酸盐 HTlc的制备条件非常严格。因为在碱性条件下，空气中的CO2很容易溶入到溶液中，碳酸根离子与HTlc片层间的强烈亲和力又使其易于插入到HTlc片层之间。因此非碳酸盐的制备经常需要用惰性气体保护。(3)pH值的严格控制。pH值的有效控制是避免氢氧化物杂相生成的最重要因素。合适的pH值范围对合成纯净的水滑石也是必要的。pH值过高会造成Al3+及其他离子的溶解，而低的pH值会使合成按更复杂的路线进行，并且合成不完全。(4)晶化后处理。为得到结晶度良好的产品，在共沉淀发生后，必须经过一段时间的晶化。晶化过程可是静态的,也可以是动态的，必要时加压晶化8。 另外，制备类水滑石还有其他一些方法，例如：水热合成法、盐氧化物法、结构重建法、离子交换法、氧化还原法、溶胶-凝胶法等，这里就不再一一详述。1.1.4类水滑石的应用 HTlc物质可作为泥浆处理剂应用于油田的石油钻井。对于井壁和地层中的粘土颗粒来说，由于HTlc带有永久正电荷，可与带负电的粘土粒形成稳定的复合体，达到稳定泥浆的作用9。同时正电胶粒可以抑制地层的膨胀和分散，保持地层稳定。 HTlc具有独特的组成和结构特征，可作为碱性催化剂、氧化还原催化剂、酸碱双功能催化剂以及催化剂载体等在催化剂中得到广泛应用。HTlc作催化剂应用的一种情况是HT1c本身作催化剂，另一种情况是HTlc煅烧后的混合氧化物作催化剂。HTlc作催化剂之所以引起人们的广泛兴趣是因为类水滑石可使多种二价和三价金属离子进行匹配，金属阳离子可在原子尺度上进行混合，并且HTlc热分解后可生成热稳定性的混合氧化物，有较大的表面积10。 HTlc具有弱碱性和低毒副作用。可作为治疗胃病如胃炎、胃溃疡、十二指肠溃疡等常见疾病的抗酸剂而应用于医疗临床上。它们作为抗酸剂应用，继承了传统抗酸剂的优点，并可避免导致软骨病和缺磷综合症等副作用的发生。同时由于HTlc的高比表面积和阴离子交换性，可使一些药物分子插入到HTlc片层间而起到控制释放作用11。水滑石可以用作吸附剂、离子交换剂。Amin对比了水滑石和柱撑矿土去除高地表层水中腐殖质的能力，发现水滑石有特别好的效果，在水与固体比为40：l的情况下，水滑石接触1 d后可以保持100的去除效果，这是因为它具有较好的阴离子交换能力，并且它的夹层空间和表面可以吸附腐殖质12。HTlc的化学组成决定其对红外具有显著的吸收效果，而且HTlc的层间可插入其他对红外有吸收作用的有机分子，如此制得的层柱材料对红外的吸收范围可根据需要进行设计和调整。目前将其用于农业棚膜，大幅度提高了保温效果，同时HTlc组成和结构上的特点使其兼备抗老化性能、改善力学性能、提高阻隔性能、抗静电性能、防尘性能等。HTlc经煅烧后表现出优异的紫外吸收和散射效果，利用表面反应还可进一步强化其紫外吸收能力，使之兼备物理和化学两种作用。大量实践证明，以其作为光稳定剂，效果明显优于传统材料，可广泛应用于塑料、橡胶、纤维、化妆品、涂料、油漆等领域13。1.2电化学工作站简介电化学工作站，即是研究电化学相关体系的电化学性质的测试仪器。所有的电化学研究，都是表征电极的电位变化以及流过电极的电流的大小之间的关系。电化学工作站是由电脑控制的全自动的恒电位仪、恒电流仪及阻抗分析仪，因为它相对于手动的设备更为先进，功能更强大，所以叫做电化学工作站。具体工作时，仪器按照一定的规律输出电位信号，同步记录体系的电流响应信号；或反之，输出电流信号，同步记录电位信号。采集到的信号，由仪器内置的微处理器解析后，变为数字信号反馈回电脑。此时在屏幕上出现的为原始的数据，电脑上装的仪器数据处理软件，具有强大的解析功能，可以对原始数据作更详细的变化和分析，得到关于研究体系的详细信息。电化学工作站内含快速数字信号发生器、高速数据采集系统、电位电流信号滤波器、多级信号增益、IR降补偿电路以及恒电位仪、恒电流仪。可直接用于超微电极上的稳态电流测量。如果与微电流放大器及屏蔽箱连接，可测量1pA或更低的电流。如果与大电流放大器连接，电流范围可拓宽为2A。某些实验方法的时间尺度的数量级可达l0倍，动态范围极为宽广。可进行循环伏安法、交流阻抗法、交流伏安法等测量。工作站可以同时进行四电极的工作方式。四电极可用于液液界面电化学测量，对于大电流或低阻抗电解池(例如电池)也十分重要，可消除由于电缆和接触电阻引起的测量误差。仪器还有外部信号输入通道，可在记录电化学信号的同时记录外部输入的电压信号，例如光谱信号等。这对光谱电化学等实验极为方便。电化学工作站应用非常广泛：研究电化学机理；物质的定性定量分析；常规电化学测试，包括电合成、电沉积(电镀)性能评价；功能和能源材料（电池、超级电容器、纳米材料、生物传感器等）的机理和制备研究；缓蚀剂、水质稳定剂、涂层以及阴极保护效率快速评价以及氢渗测试等；金属材料在导电性介质（包括水/混凝土等环境）中的腐蚀电化学测试。1.3循环伏安法的原理及简介1.3.1循环伏安法概念循环伏安法(Cyclic Voltammetry)一种常用的电化学研究方法。该法控制电极电势以不同的速率，随时间以三角波形一次或多次反复扫描，电势范围是使电极上能交替发生不同的还原和氧化反应，并记录电流-电势曲线。根据曲线形状可以判断电极反应的可逆程度，中间体、相界吸附或新相形成的可能性，以及偶联化学反应的性质等。常用来测量电极反应参数，判断其控制步骤和反应机理，并观察整个电势扫描范围内可发生哪些反应，及其性质如何。对于一个新的电化学体系，首选的研究方法往往就是循环伏安法，可称之为“电化学的谱图”。本法除了使用汞电极外，还可以用铂、金、玻璃碳、碳纤维微电极以及化学修饰电极等。1.3.2基本原理如以等腰三角形的脉冲电压加在工作电极上，得到的电流电压曲线包括两个分支，如果前半部分电位向阴极方向扫描，电活性物质在电极上还原，产生还原波，那么后半部分电位向阳极方向扫描时，还原产物又会重新在电极上氧化，产生氧化波。因此一次三角波扫描，完成一个还原和氧化过程的循环，故该法称为循环伏安法，其电流电压曲线称为循环伏安图。如果电活性物质可逆性差，则氧化波与还原波的高度就不同，对称性也较差。循环伏安法中电压扫描速度可从每秒钟数毫伏到1伏。工作电极可用悬汞电极，或铂、玻碳、石墨等固体电极。1.3.3循环伏安法的应用循环伏安法是一种很有用的电化学研究方法，可用于电极反应的性质、机理和电极过程动力学参数的研究。但该法很少用于定量分析。可以判断电极的可逆性，循环伏安法中电压的扫描过程包括阴极与阳极两个方向，因此从所得的循环伏安法图的氧化波和还原波的峰高和对称性中可判断电活性物质在电极表面反应的可逆程度。若反应是可逆的，则曲线上下对称，若反应不可逆，则曲线上下不对称。电极反应机理的判断循环伏安法还可研究电极吸附现象、电化学反应产物、电化学化学耦联反应等,对于有机物、金属有机化合物及生物物质的氧化还原机理研究很有用。1.3.4循环伏安法的用途 循环伏安法在各个领域都有很广泛的应用，例如利用循环伏安法判断电极表面微观反应过程、判断电极反应的可逆性、作为无机制备反应“摸条件”的手段、为有机合成“摸条件”、前置化学反应（CE）的循环伏安特征、后置化学反应（EC）的循环伏安特征。2实验部分 2.1试剂与仪器表1 仪器与试剂Table1 the instruments and agents仪器/试剂 型号/规格 生产厂家电化学工作站 CS-310 武汉科思特仪器有限公司搅拌器 MEC-12B 江苏江分点分析仪器有限公司电子分析天平 FA系列 上海越平科学仪器有限公司乙二胺四乙酸二钠(EDTA) 分析纯 天津市申泰化学试剂有限公司无水硫酸铜 分析纯 天津市永达化学试剂开发中心石墨聚四氟乙烯（PTFE）2.2电极的制作及溶液的配制将石墨用研钵研成粉末状，用分析天平称取一定质量的类水滑石、EDTA和PTFE，并以一定的质量比制作电极。用电子分析天平准确称取8.0184g、16.1248g、24.0136g、32.0784g、40.0576g无水硫酸铜分别配成0.10023mol/L、0.20156mol/L、0.30017mol/L、0.40098mol/L、0.50072mol/L硫酸铜溶液各500mL。2.3电化学测定 将各个电极在100mV/s的速率下和0.50072mol/L的硫酸铜溶液中，用三电极体系进行测定，以铂电极作为辅助电极，甘汞电极作为参比电极，制作电极作为工作电极进行实验，采用循环伏安法对该电极对Cu(II)的电化学催化氧化行为进行测定，选出最优质量比的电极进行下一步实验；将选取好的电极在一定速率下、不同浓度的硫酸铜溶液中进行实验，测定该电极对不同浓度Cu(II)的电化学催化氧化行为；将选取好的电极在一定浓度的硫酸铜溶液中、不同速率下进行实验，测定不同扫描速率下该电极对Cu(II)的电化学催化氧化行为。3结果与讨论3.1电极材料配比对电化学测定的影响图1为类水滑石、石墨、EDTA分别以1:1:1、1:1:2、1:1:3、2:1:1、3:1:1的比例混合后以及没有类水滑石制成的电极的循环伏安曲线，具体数据见表2。由表2可知，类水滑石与EDTA都对铜(II)的电化学氧化有一定的影响，并且当它们的质量比为1:1:3时，峰电流最大，因此选此电极作为实验电极。 图1 不同电极配比的循环伏安曲线Fig1 the cyclic voltammetry curves of different electrodes表2 不同电极配比的峰电流数据Table2 the peak current data of different electrodesm(类水滑石):m(石墨):m（EDTA） 峰电位(mV/s) 峰电流(A/cm2)1:1:1 无 无1:1:2 1.58 0.000521:1:3 2.17 0.000842:1:1 1.18 0.000443:1:1 1.28 0.000290:1:1 无 无3.2不同浓度的Cu(II)对电化学测定的影响 图2为类水滑石、石墨、EDTA质量比为1:1:3的电极在不同浓度下的硫酸铜溶液和水中的循环伏安曲线，具体数据见表3，可知随着硫酸铜浓度的增加，峰电流也随之增大，0.50072mol/L的溶液中的氧化峰电流最大。图3为硫酸铜浓度与峰电流的线性关系图，由图3可以看出，硫酸铜的浓度与峰电流呈线性关系，线性关系为：y=3.3859410-4+ 7.0962110 x (R2=0.99256)。图2不同浓度硫酸铜的循环伏安曲线Fig2 the cyclic voltammetry curves of different concentrations of copper sulfate表3 不同浓度硫酸铜溶液中的峰电流数据Table3 peak current data of different concentrations of copper sulfate硫酸铜浓度(mol/L) 峰电位(V) 峰电流（A/cm2）0.10023 1.13 0.000730.20156 1.14 0.000920.30017 1.17 0.001180.40098 1.17 0.001320.50072 1.19 0.00157水 无 无图3硫酸铜浓度与峰电流的线性关系Fig3 the relationship between the copper sulfate concentration and peak current3.3不同扫描速率对电化学测定的影响图4为在0.50072mol/L的硫酸铜溶液中该电极在不同的扫描速率下的循环伏安曲线，数据见表4，可知随着扫描速率的增加峰电流也随之增加，扫描速率为170mV/s时，氧化峰电流最大。图5为扫描速率与峰电流的线性关系图，由图可知，两者呈线性关系，线性关系为：y=1.74 10-4+7.2 10-6 x (R2=0.9899)。图4 不同扫描速率下的循环伏安曲线Fig4 cycle voltammetry curves in different scan rates表4 不同扫描速率下的峰电流数据Table4 the peak current data of different scan rates扫描速率(mV/s) 峰电位(V) 峰电流(A/cm2)50 1.17 0.0005780 1.17 0.00071110 1.37 0.00096140 1.37 0.00117170 1.32 0.0012714 图5扫描速率与峰电流的线性关系Fig5 relationship between the scanrate and peak current4结论 结果表明，类水滑石和EDTA对铜离子的电化学氧化有一定的协同作用。峰电流与电解液浓度的关系为：y=3.3859410-4+ 7.0962110 x (R2=0.99256)。峰电流与扫描速率的关系为线性关系为：y=1.74 10-4+7.2 10-6 x (R2=0.9899)，由此可知，铜离子在该电极表面的电化学氧化过程属于吸附控制。 参考文献1郭雄华, 侯万国, 王书瑞等. MgZnA1Fe型类水滑石纳米颗粒的制备及表征J. 山东大学学报(理学版)，2003,3(1):89-922姜鹏， 侯万国， 韩书华等.ZnMg一A1型类水滑石纳米颗粒的制备及晶体结构研究J.高等学校化学学报，2002,23(1):78-823Li, S. P., Hou, W. G., Jiang, P., & Zhu, W. Q. (2002). Studies on the synthesis and the structure of ferric aluminum magnesium hydrotalcite-like compoundsJ. Chinese Chemical Letters, 13, 781-782.4Parker, L. M., Milestone, N. B., & Newman, R. H. (1995). The Use of Hydrotalcite as an Anion AbsorbentJ. Industrial & Engineering Chemistry Research, 34, 1196-1202.5Amin, S. & Jayson, G. G. (1996). Humic substance uptake by hydrotalcites and pilcsJ. Water Research, 30, 299-306.6郭军, 矫庆泽, 沈剑平, 吕慧娟, 刘丹, 蒋大振, 闵恩泽. 杂多阴离子柱撑水滑石的合成、热稳定性、酸碱性研究J.化学学报，1996，54:357-3627REICHLE, W. T., KANG, S. Y., & EVERHARDT, D. S. (1986). The nature of the thermal decomposition of a catalytically active anionic clay mineralJ. 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EP:0737711, 1996The preparation of Mg-Fe-SDBS Hydrotalcite-Like Clay Electrode and the investigation of Cu() Electrochemical oxidation in Mg-Fe-SDBS Hydrotalcite-Like Clay Electrode Abstract:This paper prepared working electrodes with different mass ratio of Mg-Al-SDS Hydrotalcite-Like Clay, activated Carbon and EDTA, and the electrochemical behavior of copper(II) on the electrode surface was studied; The relationship between the concentration of copper(II), the scan rate and the peak currents was also explored. The results show that, HTLc and EDTA have an collaboration effect on the electrochemical behavior of Cu(). The relationship between the peak current and electrolyte concentration is y=3.3859410-4+7.0962110x (R2=0.99256). The relationship between the oxidation peak current and scan rate is y=1.7410-4+7.210-6x (R2=0.9899).It indicates that the electrochemical behavior of Cu(II) on the working electrode is dominated by adsorption.Keywords: Hydrotalcite-like clay; Cyclic voltammetry; Modified Electrode; Copper(II) 致 谢 这篇论文的结束标志着我的大学学业的结束。从开始选题，论文的写作，做实验的时候，修改到最后定稿得到了我的指导老师xxx悉心指导。特别是他从百忙中抽出时间为我指点迷津，帮助我开拓思路，细心点拨，感谢学院为我提供良好的学习和做毕业论文的机会。同时，也要感谢在论文写作过程中，帮助过我的同学们，及亲如兄弟的同事们，再次衷心感谢所有在我论文写作过程中给予我帮助的人。