Efficient dechlorination of 2,4-dichlorophenol in an aqueous media with a mild pH using a Pd/TiO₂NTs/Ti cathode

Abstract

In this study, palladium-loaded titania nanotubes was fabricated on a titanium plate (Pd/TiO₂NTs/Ti) for efficient electrodechlorination of 2,4-chlorophenol with a mild pH condition. The nature of Pd/TiO₂NTs/Ti electrodes was characterized by field-emission scanning electron microscope (FESEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and cyclic voltammetry (CV) techniques. The characterization results indicated the generation of Pd⁰ nanoparticles which were evenly dispersed on titania nanotubes arrays on the Pd/TiO₂NTs/Ti surface. An effective degradation efficiency of up to 91% was achieved within 60 min at cathode potential of −0.7 V (vs. SCE) and initial pH of 5.5. The effects of the applied cathode potential and initial pH on the degradation efficiency were studied. A near neutral condition was more favorable since very low and very high pHs were not conducive to the dechlorination process. Furthermore, the intermediates analysis showed that the Pd/TiO₂NTs/Ti electrode could completely remove chlorine from 2, 4-dichlorophenol since only phenol was detected as the byproduct and the concentration of released chlorine ions indicated near-complete dechlorination. This work presents a good alternative technique for eliminating persistent chlorophenols in polluted wastewater without maintaining strong acidic environment.

Keywords

Pd/TiO₂NTs/Ti cathode / chlorophenols / electrocatalytic dechlorination / wastewater treatment

References

[1] Fan C, Li N, Cao X. Determination of chlorophenols in honey samples using in-situ ionic liquid-dispersive liquid-liquid microextraction as a pretreatment method followed by high-performance liquid chromatography. Food Chemistry, 2015, 174(0): 446–451

[2] Olaniran A O, Igbinosa E O. Chlorophenols and other related derivatives of environmental concern: properties, distribution and microbial degradation processes. Chemosphere, 2011, 83(10): 1297–1306

[3] Karci A, Arslan-Alaton I, Olmez-Hanci T, Bekbölet M. Transformation of 2,4-dichlorophenol by H₂O₂/UV-C, Fenton and photo-Fenton processes: oxidation products and toxicity evolution. Journal of Photochemistry and Photobiology A Chemistry, 2012, 230(1): 65–73

[4] Carmona M, Garcia M T, Carnicer Á, Madrid M, Rodríguez J F. Adsorption of phenol and chlorophenols onto granular activated carbon and their desorption by supercritical CO2. Journal of Chemical Technology and Biotechnology (Oxford, Oxfordshire), 2014, 89(11): 1660–1667

[5] Du J, Bao J, Tong M, Yuan S. Dechlorination of pentachlorophenol by palladium/iron nanoparticles immobilized in a membrane synthesized by sequential and simultaneous reduction of trivalent iron and divalent palladium ions. Environmental Engineering Science, 2013, 30(7): 350–356

[6] Sun Z, Wei X, Hu X, Wang K, Shen H. Electrocatalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenol in aqueous solution on palladium loaded meshed titanium electrode modified with polymeric pyrrole and surfactant. Colloids and Surfaces. A, Physicochemical and Engineering Aspects, 2012, 414(46): 314–319

[7] Sharma S, Mukhopadhyay M, Murthy Z V P. Degradation of 4-chlorophenol in wastewater by organic oxidants. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2010, 49(7): 3094–3098

[8] Pera-Titus M, García-Molina V, Baños M A, Giménez J, Esplugas S. Degradation of chlorophenols by means of advanced oxidation processes: a general review. Applied Catalysis B: Environmental, 2004, 47(4): 219–256

[9] Czaplicka M. Sources and transformations of chlorophenols in the natural environment. Science of the Total Environment, 2004, 322(1−3): 21–39

[10] Zheng M, Bao J, Liao P, Wang K, Yuan S, Tong M, Long H. Electrogeneration of H₂ for Pd-catalytic hydrodechlorination of 2,4-dichlorophenol in groundwater. Chemosphere, 2012, 87(10): 1097–1104

[11] Mitoma Y, Kakeda M, Simion A M, Egashira N, Simion C. Metallic Ca-Rh/C-methanol, a high-performing system for the hydrodechlorination/ring reduction of mono- and poly chlorinated aromatic substrates. Environmental Science & Technology, 2009, 43(15): 5952–5958

[12] Sun Z, Wang K, Wei X, Tong S, Hu X. Electrocatalytic hydrodehalogenation of 2,4-dichlorophenol in aqueous solution on palladium–nickel bimetallic electrode synthesized with surfactant assistance. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(23): 17862–17869

[13] Xu Y H, Cai Q Q, Ma H X, He Y, Zhang H, Ma C A. Optimisation of electrocatalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid on a roughened silver–palladium cathode. Electrochimica Acta, 2013, 96(5): 90–96

[14] Xu Y H, Zhang H, Chu C P, Ma C A. Dechlorination of chloroacetic acids by electrocatalytic reduction using activated silver electrodes in aqueous solutions of different pH. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2012, 664(1): 39–45

[15] Sun Z, Ge H, Hu X, Peng Y. Preparation of foam-nickel composite electrode and its application to 2,4-dichlorophenol dechlorination in aqueous solution. Separation and Purification Technology, 2010, 72(2): 133–139

[16] Wang H, Wang J. Comparative study on electrochemical degradation of 2,4-dichlorophenol by different Pd/C gas-diffusion cathodes. Applied Catalysis B: Environmental, 2009, 89(1−2): 111–117

[17] Chen G, Wang Z, Xia D. Electrochemically reductive dechlorination of micro amounts of 2,4,6-trichlorophenol in aqueous medium on molybdenum oxide containing supported palladium. Electrochimica Acta, 2004, 50(4): 933–937

[18] Wang H, Wang J. Electrochemical degradation of 4-chlorophenol using a novel Pd/C gas-diffusion electrode. Applied Catalysis B: Environmental, 2007, 77(1−2): 58–65

[19] Cui C, Quan X, Yu H, Han Y. Electrocatalytic hydrodehalogenation of pentachlorophenol at palladized multiwalled carbon nanotubes electrode. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 80(1−2): 122–128

[20] Huang S, Ganesan P, Popov B N. Titania supported platinum catalyst with high electrocatalytic activity and stability for polymer electrolyte membrane fuel cell. Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 102(1−2): 71–77

[21] Ferreira P J, la O’ G J, Shao-Horn Y, Morgan D, Makharia R, Kocha S, Gasteiger H A. Instability of Pt/C electrocatalysts in proton exchange membrane fuel cells. Journal of the Electrochemical Society, 2005, 152(11): A2256–A2271

[22] Quan X, Yang S, Ruan X, Zhao H. Preparation of titania nanotubes and their environmental applications as electrode. Environmental Science & Technology, 2005, 39(10): 3770–3775

[23] Xie W, Yuan S, Mao X, Hu W, Liao P, Tong M, Alshawabkeh A N. Electrocatalytic activity of Pd-loaded Ti/TiO₂ nanotubes cathode for TCE reduction in groundwater. Water Research, 2013, 47(11): 3573–3582

[24] Zhao G, Cui X, Liu M, Li P, Zhang Y, Cao T, Li H, Lei Y, Liu L, Li D. Electrochemical degradation of refractory pollutant using a novel microstructured TiO₂ nanotubes/ Sb-doped SnO₂ electrode. Environmental Science & Technology, 2009, 43(5): 1480–1486

[25] Sun Z, Wei X, Shen H, Hu X. Preparation of palladium–nickel loaded titanium electrode with surfactant assistance and its application in pentachlorophenol reductive dechlorination. Separation and Purification Technology, 2014, 124(6): 224–230

[26] Sun Z, Wei X, Shen H, Hu X. Preparation and evaluation of Pd/polymeric pyrrole-sodium lauryl sulfonate/foam-Ni electrode for 2,4-dichlorophenol dechlorination in aqueous solution. Electrochimica Acta, 2014, 129(16): 433–440

[27] Prakasam H E, Shankar K, Paulose M, Varghese O K, Grimes C A. A new benchmark for TiO₂ nanotube array growth by anodization. Journal of Physical Chemistry C, 2007, 111(20): 7235–7241

[28] Wang G, Wang H, Ling Y, Tang Y, Yang X, Fitzmorris R C, Wang C, Zhang J Z, Li Y. Hydrogen-treated TiO₂ nanowire arrays for photoelectrochemical water splitting. Nano Letters, 2011, 11(7): 3026–3033

[29] Ureta-Zañartu M S, Bustos P, Berríos C, Diez M C, Mora M L, Gutiérrez C. Electrooxidation of 2,4-dichlorophenol and other polychlorinated phenols at a glassy carbon electrode. Electrochimica Acta, 2002, 47(15): 2399–2406

[30] Sun Z, Wei X, Han Y, Tong S, Hu X. Complete dechlorination of 2,4-dichlorophenol in aqueous solution on palladium/polymeric pyrrole-cetyl trimethyl ammonium bromide/foam-nickel composite electrode. Journal of Hazardous Materials, 2013, 244−245: 287–294

[31] Brewster J H. Mechanisms of reductions at metal surfaces. I. A general working hypothesis. Journal of the American Chemical Society, 1954, 76(24): 6361–6363

[32] Wang X, Zhu M, Liu H, Ma J, Li F. Modification of Pd-Fe nanoparticles for catalytic dechlorination of 2,4-dichlorophenol. Science of the Total Environment, 2013, 449(0): 157–167

Supplementary material

is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11783-015-0794-xand is accessible for authorized users.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg