溴酸盐(BrO3-)和卤乙酸(HAAs)是饮用水中常见的消毒副产物，对人体具有潜在的致癌性。电化学还原去除卤代有机物技术由于反应速率快，反应条件温和，可有效减少化学品投加和二次污染而受到越来越多的关注。然而，常用的阴极电还原污染物所需阴极负电位较高，易发生析H2副反应，导致电流效率降低。因此，开发可在低电位下具有高电催化还原活性的阴极材料，并揭示污染物的电催化还原微观机制，是提高电流效率、实现污染物高效去除的关键之一。围绕上述关键技术问题，本论文开展了如下研究工作:
1、研制出具有高电催化活性并可显著降低污染物还原过电位的钯(Pd)/石墨烯(rGO)复合电极。以碳纤维(CFP)材料为基底，通过化学还原和电沉积方法分别负载rGO和Pd，制得Pd/rGO/CFP电极。在-0.5 V的低电位下，Pd/rGO/CFP电极在40 min内对BrO3-去除率达到98.7％。rGO促进了原子H*的产生从而通过间接原子H*还原将BrO3-还原至Br-。且由于rGO表面含氧基团和Pd之间的化学作用，复合电极具有很好的稳定性。
2、研究了Pd/rGO/CFP电极电催化还原三氯乙酸(TCAA)脱氯过程中原子H*的产生及作用机制。首次通过电子自旋共振(ESR)技术研究了Pd/rGO/CFP、CFP、rGO/CFP和Pd/CFP电极产原子H*过电位。在Pd/rGO/CFP电极表面原子H*更容易产生，其产H*过电位正于其它三种电极0.4-1.0 V。对于Pd/CFP和Pd/rGO/CFP电极，原子H*是主要活性物种，表明间接还原机制在脱氯过程中起到了决定作用;而对于CFP和rGO/CFP电极，直接电子还原是TCAA主要脱氯机制。在实验基础上，结合密度泛函理论计算揭示了Pd/rGO/CFP电极通过电子耦合作用强化产氢机制，且rGO的引入可以强化固氢，其优异的产氢固氢特性决定了其高电催化还原活性。
3、制备出无贵金属的新型3D石墨烯/泡沫铜(GR-Cu foam)电极，成功应用于电催化TCAA脱氯。3D GR显著促进了TCAA还原转化并提高了协同脱氯路径所占比例。Cu foam电极电还原TCAA在酸性条件下得到促进，而GR-Cufoam电极电还原TCAA受pH影响较小且可抑制Cu2+溶出。Cu foam和GR-Cufoam电极体系的TCAA脱氯机制均以直接阴极还原为主，但是3D GR的存在会提高GR-Cu foam体系对原子H*的储存能力从而促进脱卤反应。在处理含HAAs饮用水时，GR-Cu foam电极具有较好的稳定性并可重复使用。
4、设计了三维电极连续流电化学反应器，显著提高了反应器极水比，成功应用于自来水低浓度BrO3-的电还原去除。研制出Pd/rGO共修饰颗粒活性炭(Pd-rGO/GAC)作为阴极室感应粒子电极，Pd/rGO/CFP电极作为主阴极。结果表明粒子电极和主阴极可协同产原子H*，从而高效催化还原BrO3-。在电流密度为0.9mA/cm2，水力停留时间为20 min条件下，BrO3-由20μg/L降至6.6μg/L。尽管水中Ca2+、Mg2+会产生沉淀覆盖在Pd催化剂表面，反应器仍可在30天连续运行中保持较高的催化活性，且沉淀物主要覆盖在Pd/rGO/CFP主阴极表面，对Pd-rGO/GAC表面影响很小。该电化学体系在消减特定条件实际水体中BrO3-及其它污染物方面具有较好的应用前景。
关键词：钯元素 石墨烯 复合电极 原子氢 消毒副产物 饮用水 电催化还原
