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多元电极制备及其催化氧化氨氮废水性能

张寿通 ,  李阳 ,  王文虎 ,  阎光绪

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 138 -147.

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现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (11) : 138-147. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.025
科研与开发

多元电极制备及其催化氧化氨氮废水性能

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Preparation of multi-component electrode and its performance in catalytic oxidation of ammoniacal nitrogen-containing wastewater

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摘要

针对电化学氧化法处理氨氮废水过程中钌铱基电极制备成本高、稳定性不足的问题,采用浸渍提拉法制备了Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2四元改性电极。研究发现,当Ru-Ir-Sn摩尔比为5.5∶1∶3.9时,Sn掺入导致RuO2-IrO2固溶体晶格发生畸变,晶体平均尺寸由34.1 nm减小至28.4 nm,析氯电位窗口拓宽20.8%,电极制备成本大大降低;掺杂质量分数4% Ce时,涂层晶粒尺寸细化至22.5 nm,析氯催化活性显著提升,电极服役寿命较三元电极延长60.2%。在优化工艺条件(电流密度0.05 A/cm2、初始Cl-质量浓度5 000 mg/L、pH 9.0)下,氨氮和总氮去除率分别达到100% 和98.5%,氨氮去除过程符合零级动力学模型。

Abstract

In view of the problems of high preparation cost and insufficient stability of ruthenium-iridium-based electrodes in the treatment of ammoniacal nitrogen-containing wastewater by electrochemical oxidation method,Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2 quaternary modified electrode is prepared via the dip-coating method.Research findings show that as the molar ratio of Ru-Ir-Sn is 5.5∶1∶3.9,the incorporation of Sn causes the lattice distortion in RuO2-IrO2 solid solution,the average crystal size declines from 34.1 nm to 28.4 nm,the chlorine evolution potential window widens by 20.8%,and the preparation cost of the electrode is greatly reduced.As 4% (w/w) Ce is doped,the grain size of the coating is refined to 22.5 nm,the chlorine evolution catalytic activity of the electrode is significantly improved,and the service life of the electrode is extended by 60.2% compared with the ternary electrode.Under the optimized process conditions (a current density of 0.05 A/cm2,an initial Cl- concentration of 5 000 mg/L,and a pH of 9.0),the removal rates of NH3-N and TN reach 100% and 98.5%,respectively,and the ammoniacal nitrogen removal process conforms to the zero-order kinetic model.

Graphical abstract

关键词

电化学 / 稳定性 / 活性 / 动力学 / 废水 / 掺杂改性

Key words

electrochemical / stability / activity / kinetics / wastewater / doping modification

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张寿通,李阳,王文虎,阎光绪. 多元电极制备及其催化氧化氨氮废水性能[J]. 现代化工, 2025, 45(11): 138-147 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.11.025

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水体中的氨氮由于其来源广泛、排放量巨大以及污染影响严重,构成了一项重大的环境挑战[1-2]。目前,氨氮废水的处理方法主要分为物化法和生物法[3-6]。物化法中的电化学氧化法是在电极的催化作用下,氨氮直接在阳极失去电子被氧化去除,或者间接被阳极生成的强氧化性自由基氧化去除的过程[7]。该技术无需添加氧化还原剂、操作条件温和可控、处理效率高、环境友好,且能够适应高盐等恶劣条件,是极具潜力的氨氮废水处理技术之一[3,8-9]。阳极材料作为电化学氧化法的核心,直接影响处理效率和成本[10]。钌铱二元涂层电极已被证明是高效电催化氧化阳极[11-15]。然而,高昂的成本长期以来是其应用的主要问题。因此,低成本高效率的钌铱基阳极材料开发成为当前该领域的研究重点[16-18]。
在材料开发中适量掺杂过渡金属、贵金属、非金属元素可以细化涂层颗粒,使涂层更加致密,提高电极稳定性和电催化活性。因此二元、三元和多元氧化物涂层电极及稀土复合电极成为研究热点。例如,Chellammal等[19]通过制备四元电极Ti/RuO2-IrO2-TiO2-SnO2提高电极催化活性;Audichon等[20]通过向钌铱电极掺杂稀土元素Ce,达到改善电极稳定性、延长使用寿命的目的。
尽管已有诸多研究,但兼具高性能、低成本、长寿命特点的电化学氧化阳极仍是该领域面临的关键瓶颈难题[21-23],关于元素掺杂对钌铱基电极微结构-电催化性能耦合机制的研究仍不充分[24-25]。基于此,本研究通过浸渍提拉-热解法,经工艺调控制备了相较于传统Ti/RuO2-IrO2电极更具成本优势的Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极。在对其进行表征和测试基础上,考察和验证了该电极的处理性能。

1 实验材料和方法

1.1 电极制备

采用浸渍提拉-热解法制备电极。将工业纯钛片(TA2,20 mm×20 mm×1 mm)依次用400目和800目砂纸打磨,去除表面氧化层。碱洗后放入90℃左右、质量分数为10% 的草酸溶液中刻蚀2 h并清洗。按一定比例混合乙醇、钌母液、铱母液配制涂液,设置涂液中聚乙二醇的质量分数为20%,Ru/Ir摩尔比5.5∶1,在金属总质量不变的条件下以一定比例的Sn、Ce进行掺杂。利用浸渍提拉机(上海三研,SYDC-100)进行涂覆,控制下降速度为3 000 μm/s,上升速度为2 000 μm/s,并采用40 kHz超声辅助涂覆。将涂刷后的钛片放入100℃的烘箱中烘10 min,转入马弗炉中在500℃下煅烧10 min,结束后取出空冷至室温。重复涂刷-烘干-煅烧过程10次,最后一次在相同设定温度下退火1 h,完成电极制备。

1.2 电极表征

1.2.1 物理表征

利用场发射扫描电子显微镜(SEM,Zeiss,SUPRA 55/55VP)观察电极表面的微观结构和形貌,分析涂层的致密性和平整度。通过能量色散X射线光谱(EDS)对涂层表面放大100倍进行面扫,分析涂层钌、铱、钛等元素的分布、含量等信息。
采用X射线衍射仪(XRD,Bruker AXS D8 Focus)进行XRD分析,使用Cu靶(Kα)辐射,加速电压 40 kV,电流40 mA,2θ角扫描范围为10°~90°,扫描速度5(°)/min。通过与PDF标准卡对比判断涂层中金属氧化物的晶型,并根据Scherrer公式[26]计算晶体平均尺寸,同时计算获取晶体晶胞尺寸和结晶度等信息。
通过X射线光电子能谱(XPS,赛默飞世尔,ESCALAB 250Xi)测试分析涂层表面元素价态及结合状态。X射线源为Al Kα,hν=1 486.6 eV,真空度低于5×10-7 Pa,结合能光谱参照污染碳的C 1s 284.6 eV进行修正。

1.2.2 电化学表征

在电化学工作站(上海辰华Chi660e)上完成电极电化学表征,采用三电极体系,自制阳极为工作电极,同等大小的Pt电极为对电极,饱和甘汞电极(SCE)或硫酸亚汞电极(MSE)为参比电极。
线性扫描伏安法(LSV)测试:在饱和NaCl溶液中,以饱和甘汞电极为参比电极,扫描速率10 mV/s,扫描范围0~1.3 V,以电流密度为0.005 A/cm2所对应电位为析氯电位;在1 mol/L的H2SO4溶液中,同样以饱和甘汞电极为参比电极,扫描速率10 mV/s,扫描范围0~1.5 V,以0.005 A/cm2所对应的电位为析氧电位。
循环伏安法(CV)测试:在饱和NaCl溶液中,以饱和甘汞电极为参比电极,扫描速率为10 mV/s,扫描范围为0~1 V,通过CV曲线计算伏安电量。
电化学阻抗谱(EIS)测试:在1 mol/L的H2SO4中,以硫酸亚汞电极为参比电极,扫描速率10 mV/s,测试范围为1 MHz~1 Hz,偏置电压为0.8 V,采用Zview软件对阻抗谱数据进行拟合,得到电极的阻抗性能。一般钛基金属氧化物涂层电极的阻抗可使用等效电路Rs(Rct CPEdl)(Rf CPEf)进行拟合[27]。由于浸渍提拉法所制备的电极涂层较薄,电极自身电阻极小,因此用等效电路Rs(Rct CPEdl)进行拟合。
加速寿命:以蓝电电池测试系统(武汉蓝电电子,CT3001B)为电源,制备电极为测试电极,同等大小的钛板为阴极,1 mol/L的H2SO4为电解液,恒温40℃,设置电流密度为2 A/cm2,至电压上升5 V为终点。按照电极使用寿命与电流密度的平方成反比的规律[28],用公式换算特定电流密度下的使用寿命。
${t}_{0}=({i}_{t}/{i}_{0}{)}^{2}\times [t/(365\times 24)]$
式中:t0为特定电流密度下的电极使用寿命,a;t为加速寿命实验中测试电流密度下的电极使用寿命,h;i0为特定电流密度,mA/cm2;it为快速寿命实验中的电流密度,mA/cm2。

1.2.3 阳极除氨氮性能测试

分别以制备的Ti/RuO2-IrO2电极、Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极、Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极为工作电极,以同等大小的Pt板为阴极,以饱和甘汞电极为参比电极,分别在0.1 mol/L的Na2SO4溶液、1 mol/L的NH4Cl溶液、0.5 mol/L的(NH4)2SO4溶液和1 mol/L的NaCl溶液(后三者皆以0.1 mol/L的Na2SO4溶液为促进电解质)中进行LSV测试,扫描速率10 mV/s,扫描范围为0~1.5 V,分析和比较不同阳极去除氨氮性能参数。

1.3 去除氨氮及动力学研究

采用双电极体系,以Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极为阳极,以同等大小的Cu板为阴极,极板间距 2 cm,电解装置如图1所示。配制模拟炼厂高盐氨氮废水,初始氨氮质量浓度为100 mg/L,初始Cl-质量浓度为5 000 mg/L,取200 mL配制水于圆柱形电解槽。电解过程中恒温25℃,并以300 r/min匀速搅拌,电解50 min后取样检测,考察电极对氨氮废水的处理效果。
实验结合工业操作参数及前人研究成果,选取废液初始pH、电流密度、初始Cl-质量浓度为曲面响应法(RSM)变量因素,以总氮、氨氮去除率为RSM响应值,从而筛选出氨氮去除最优工艺条件。
在氨氮去除最优工艺条件下电解50 min,每 5 min为间隔取样检测,通过对样品氨氮、总氮、总氯、余氯、硝态氮、亚硝态氮、pH的检测,进而分析得到氨氮去除反应动力学模型。

1.4 水质检测

溶液pH由pH计检测,氨氮由复合氨气敏电极(奥豪斯,501 Ammonia E)测得,总氮由过硫酸盐氧化法测定,余氯、总氯采用N,N-二乙基-1,4-苯二胺分光光度法(DPD法)测得,硝态氮由镉还原法测定,亚硝态氮由重氮化法测得。

2 结果与分析

2.1 Ti/RuO2-IrO2电极基本参数

采用前述方法制备的Ti/RuO2-IrO2电极基本物相和性能参数见表1。

2.2 元素掺杂改性Ti/RuO2-IrO2制备及性能表征

2.2.1 掺杂元素Sn

在电解过程中,掺杂Sn能提高电极的析氧电位从而有效抑制析氧副反应的发生[29-30]。此外,Sn能与Ru、Ir形成氧化物固溶体,提高涂层的稳定性。而且Sn价格低廉,掺杂适量Sn置换部分钌铱可以减少电极成本。本研究制备掺杂元素Sn的电极(Ru、Ir、Sn摩尔比分别为5.5∶1∶1.3、5.5∶1∶2.6、5.5∶1∶3.9、5.5∶1∶5.2、5.5∶1∶6.5,记为Sn-1~Sn-5)并进行表征,了解涂层变化规律,确定优化配比。
(1)SEM表征
Sn-1~Sn-5电极形貌如图2所示。由于Sn具有更大的原子半径,低Sn掺杂制备的涂层表面较为均匀。随着Sn掺杂比例的上升,电极表面形貌由Sn-1~Sn-3的絮状纳米晶体覆盖的“蜂窝状”转变为Sn-4、Sn-5的“丘陵状”,有明显的“峰”和“谷”,峰部有较多纳米晶体析出。当Ru、Ir、Sn摩尔比5.5∶1∶6.5(Sn-5电极)时,涂层表面有裂纹出现。由此可见,Sn的掺杂量对钌铱电极形貌有较大影响,Sn掺杂量过多或过少均不利于RuO2-IrO2-SnO2固溶体的生成,而且由于各金属氧化物线性膨胀系数不同,涂层结构及形貌会受到不利影响,从而降低涂层电催化活性和稳定性。
(2)EDS表征
从图3可以看出,电极Sn-1~Sn-5中RuIrSn、Ti占比变化范围均较小,RuIrSn占比随Sn掺杂量的增加先缓慢上升后缓慢下降,Ti占比规律恰好相反,Sn-3电极RuIrSn占比最高,达24%,这说明Ru、Ir、Sn摩尔比5.5∶1∶3.9时涂层固溶效果较好。而Ti占比低说明涂层更加均匀致密,减少了基材Ti的暴露。对Sn-3和Sn-5电极涂层表面峰和谷位置的XRD分析(图4)表明,峰区域中的Ru质量占比明显更高,在Sn-3电极中峰区域Ru含量超过谷区域88.3%,而Sn-5更增至5倍多,推测峰区域析出的纳米颗粒以RuO2晶体颗粒为主,而Sn掺杂会加重RuO2晶体颗粒在峰部析出的趋势。
(3)物相组成表征
图5为Sn-1~Sn-5电极XRD图。Sn-1~Sn-5电极在约28°、35°处出现的位移和重叠峰表明,在煅烧过程中形成了RuO2-IrO2-SnO2的固溶体[18],而RuO2-IrO2固溶体、Ru和Ir的一元氧化物以及SnO2特征衍射峰不明显或不存在。
将图5中26°~30°范围衍射图放大可见,当Sn的掺杂量较多时,衍射峰明显向低角度方向位移。对比SnO2金红石晶胞尺寸a=b=4.738 2 Å(1 Å=0.1 nm)、c=3.187 1 Å,金红石RuO2晶胞尺寸a=b=4.499 4 Å、c=3.107 1 Å,金红石IrO2晶胞尺寸a=b=4.498 3 Å、c=3.154 4 Å,Sn掺杂电极晶胞尺寸a、b均在4.499 4~4.738 2 Å范围内,其中Sn-3电极a=b=4.591 0 Å、c=3.112 7 Å,证明了Sn的掺杂使金红石钌铱氧化物发生了晶格畸变[31],形成了RuO2-IrO2-SnO2的固溶体。
随着Sn掺杂量的不断增加,各涂层晶体尺寸先减小后增大(图6)。当Ru、Ir、Sn摩尔比5.5∶1∶3.9时(电极Sn-3)晶体平均尺寸最小,为28.4 nm,晶体尺寸较Ti/RuO2-IrO2减小16.7%,这与此条件下生成较为均质的固溶体有关。各电极涂层结晶度在50%~55%之间,变化幅度较小。
(4)电化学分析测试
表2为Sn-1~Sn-5电极电化学表征及计算结果。归因于Ru比例减少且Sn系电极析氯、析氧电位较高,各涂层析氯、析氧电位均基本随着Sn掺杂量的增加而上升。但Sn的掺杂使电极电位差(电势窗口)增大,有利于实现较高的电流效率。Sn的掺杂使电极自身电阻增大,故由Rs(Rct CPEdl)(Rf CPEf)进行拟合发现,Sn-2电极Rct、Rf均最小,说明其导电性最好且催化活性最高。Sn-2、Sn-3电极加速寿命分别为20.10、21.38 h,处于较高水平,这与其生成较为稳定的RuO2-IrO2-SnO2固溶体有关。综合考虑,本实验中Ru、Ir、Sn摩尔比5.5∶1∶3.9为最优配比。相较于Ti/RuO2-IrO2电极,Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极电势窗口加宽20.8%,同时Sn的掺杂使Ru、Ir使用量减少了近50%,极大降低了电极成本。

2.2.2 掺杂元素Ce

掺杂稀土元素Ce能有效细化涂层晶粒[32-34],增加电极活性位点,同时使涂层更加致密稳定。保持Ru-Ir-Sn总量和摩尔比5.5∶1∶3.9不变,制备不同Ce掺杂量的电极(Ce质量分数1%、2%、3%、4%、5%,记为Ce-1~Ce-5)并进行表征测试,了解涂层变化规律,确定优化配比。
(1)表面结构表征
Ce-1~Ce-5电极SEM形貌十分相似,均包含致密区和松散区(图7),表明Ce的掺杂对涂层均质化不利。致密区面积较大,基本看不到晶体颗粒,涂层十分均匀;松散区有较多纳米晶体颗粒析出,且晶体颗粒堆积松散。通过XRD分析(图8)可以看出,致密区元素含量与原料配比较为一致,但各电极松散区Ru含量普遍畸高,表明晶体颗粒可能以RuO2为主。
(2)EDS表征
由图9可以看出,Ce-1~Ce-5电极RuIrSn占比随Ce掺杂量的增加先缓慢上升后急速下降,Ti占比规律恰好相反。Ce-4电极RuIrSn占比最高,Ti占比最低,表明Ce掺杂量为4%时涂层能更好地保护基体,进一步增加Ce含量反而对涂层结构不利。
(3)物相组成表征
图10为电极Ce-1~Ce-5的XRD图。Ce-1~Ce-5电极在约28°、35°处出现的位移和重叠峰表明,在煅烧过程中可能形成了RuO2-IrO2-SnO2的固溶体。约54°处还可以看到衍射峰,这可能是因为Ce的掺杂使固溶结构更加复杂且晶粒细化出现多种固溶体。XRD图中并未检测到CeO2,而EDS测试显示有Ce元素的存在,因此Ce可能是以置换或填隙形式进入晶格,或是以小团簇的形式均匀地分散在涂层中,使得衍射峰发生微小变化,使晶体产生晶格畸变,增大内能,从而增大涂层反应活性[35]。
Ce掺杂量与各涂层晶体尺寸、结晶度变化并无明显规律(图11),晶体尺寸在21.3~24.5 nm之间,结晶度在54%~59%之间。掺杂质量分数4% Ce制得的Ce-4电极a=b=4.5 627 Å、c=3.1 173 Å,涂层晶粒尺寸较Ti/RuO2-IrO2-SnO2进一步降低20.8%,可见稀土元素Ce的掺杂对晶粒细化有明显作用。
(4)电化学分析测试
由表3可知,各涂层析氯、析氧电位均随着Ce掺杂量的增加先下降后上升。当Ce掺杂量为4%时,其析氧、析氯电位均达到最低值,分别为1.300 7、1.097 3 V,这可能是因为Ce的掺杂使晶体细化,增大了活性面积,从而使电极析氯、析氧催化活性升高。电极伏安电量则先上升后下降,当Ce掺杂量为4%时伏安电量最大,电极Rct最小,同样说明此条件下电极析氯催化活性最好。另外,Ce-4电极加速寿命长达34.25 h,较Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极延长60.2%,这同样归因于该条件下形成了稳定的RuO2-IrO2-SnO2固溶体。实验结果证明掺杂Ce既提高了涂层的电催化活性又维持了电极使用寿命。

2.3 商业钌铱电极与自制电极对比分析

将自制的钌铱改性电极与工业普遍应用的某商业化钌铱电极进行了涂层结构、成分和电化学性能比较。

2.3.1 商业电极表面结构表征

(1)SEM表征
商业电极SY表面(图12)有明显的“泥裂状”,均匀性较差,涂层质量不及自制电极。
(2)EDS表征
对商业电极SY涂层表面进行EDS面扫(图13)发现,该商业电极Ru、Ir、Sn质量分数分别为16%、3%、3%。涂层中还包含Fe(2%)、Cu(2%)以及Si(4%)。上述成分配比虽然降低了电极成本,但是也会对电极性能产生不利影响。

2.3.2 电化学性能对比

从表4中可以看出,相较于商业电极SY,自制电极析氯电位较低,活性氯氧化效率更高;得益于更好的涂层质量,自制电极加速寿命显著延长。以上特征证明了自制电极的优势。

2.4 改性电极处理高氯盐氨氮废水性能测试

测试和比较了Ti/RuO2-IrO2电极、优化改性后的Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极和Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极的除氨氮性能。
从图14(a)中可以看出,在LSV曲线极化段,相同电位下,Ti/RuO2-IrO2电极在NaCl溶液中始终保持最高电流密度,在NH4Cl溶液中次之,但二者相差极小,而在(NH4)2SO4溶液较低,因此Ti/RuO2-IrO2电极在处理含氯氨氮废水以间接氧化为主。在Na2SO4溶液中电流密度最低,可见其析氧活性较低,析氧电位相对较高,氨氮废水处理有效过程则发生在NaCl溶液和Na2SO4溶液LSV极化曲线之间。
从图14(b)中可以看出,Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极与Ti/RuO2-IrO2电极LSV曲线变化规律相似,因此Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极在处理高氯盐氨氮废水时同样以间接氧化为主。但在约1.4 V时Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极在NaCl溶液和NH4Cl溶液中的LSV极化曲线相交,意味着电势较高时,电极表面Cl-和 ${NH}_{4}^{+}$同时发生电子转移,说明氨氮处理过程中直接氧化、间接氧化反应同时发生。相比Ti/RuO2-IrO2电极,相同电位下Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极在(NH4)2SO4溶液、Na2SO4溶液中电流密度更低,这是因为Sn的掺杂使得Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极析氧电位升高,电势窗口增大,更加有利于电催化活性的提升。同样的规律发生在Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极[图14(c)]。
比较3种电极对同一溶液的作用效果(图15),在LSV曲线极化段,相同电位下Ti/RuO2-IrO2电极在NH4Cl溶液、NaCl溶液中均始终保持最高电流密度,Ti/RuO2-IrO2-SnO2-CeO2电极次之,Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极电流密度最小,但三者差距较小。研究证明掺杂Sn降低电极成本的同时基本保持了Ti/RuO2-IrO2电极优越的电催化活性和效率,增大了电势窗口,而掺杂微量Ce能够有效细化晶体颗粒、增大活性面积,从而提高电极电催化活性。
综合以上结果,掺杂Sn、Ce改性的Ti/RuO2-IrO2电极不仅具有较低的制造成本,而且具有电势窗口大、电催化活性高、使用寿命较长的优点。

2.5 处理氨氮废水性能实验

2.5.1 工艺参数优化与去除实验

首先采用Box-Behnken中心组合法[36]设计工艺优化实验方案,通过实验结果采用响应曲面法确定主要影响因子,以及对所得回归方程进行最优分析,得到总氮、氨氮去除率均为100%时的工艺参数,结果见表5。在该工艺参数条件下,理论上总氮、氨氮去除率均可达到100%。利用模拟炼化氨氮废水进行实验验证,结果表明氨氮去除率100%、总氮去除率98.5%,前者完全吻合,后者预测值与实际值之间的相差仅为1.5%。此结果也意味着,虽然实际并未检出硝态氮组分,但微量氨氮确有可能转化成了硝态氮形态。

2.5.2 氨氮去除动力学

将最优条件下氨氮去除过程进行动力学探究,以时间t为自变量,分别以Ct、-ln(Ct/C0)、1/Ct-1/C0为因变量进行零级、一级和二级动力学模拟,Ct-t曲线如图16所示,所得动力学方程及相关系数R2见表6。可以看到,零级动力学方程相关系数R2最高,为0.985 9。
所以本实验最优条件下,高浓度氨氮使活性氯生成速率远大于氨氮氧化速率,反应符合零级动力学模型。

3 结论

本研究在Ti/RuO2-IrO2基础上通过掺杂Sn、Ce分别制备了低成本三元和四元电极,进行了涂层表征测试,以及电化学催化氧化处理氨氮废水工艺和反应动力学研究,结论如下。
(1)当Ru-Ir-Sn摩尔比为5.5∶1∶3.9时,钌铱氧化物发生晶格畸变,晶体尺寸减小16.7%,电极析氯电势窗口拓宽20.8%,同时大大降低电极成本;Ce元素以4% 质量分数掺杂时,涂层晶粒尺寸进一步降低20.8%,析氯催化活性提升,电极服役寿命较Ti/RuO2-IrO2-SnO2电极延长60.2%,展现出优异的涂层稳定性和稳定的催化活性。
(2)通过响应曲面法优化确定电极对氨氮废水处理的最佳工艺条件为:电流密度0.05 A/cm2、初始Cl-质量浓度5 000 mg/L、pH 9.0。在此条件下氨氮和总氮去除率分别达到100% 和98.5%。动力学分析表明,氨氮去除过程符合零级动力学模型。
(3)本研究提出的多元金属氧化物掺杂策略,为高性能尺寸稳定阳极的设计提供了新思路,相关成果对高盐氨氮废水处理的工业化应用具有重要指导意义。

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