[發明專利]一種具有微納結構的電催化多孔鈦濾膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201610071157.2
• 申請日: 2016-02-02
• 公開（公告）號: CN107020074A
• 公開（公告）日: 2017-08-08
• 發明（設計）人: 李新洋;鄭建中;劉桂成
• 申請（專利權）人: 中國科學院大學
• 主分類號: B01J23/14
• 分類號: B01J23/14;B01J23/18;B01J21/06;B01J35/10;B01J35/06;B01D71/02;B01D69/04;B01D69/06;B01D67/00
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本發明涉及一種具有微納結構的電催化多孔鈦濾膜及其制備方法，特別涉及一種含有微納結構TiO₂中間層的多孔鈦濾膜，通過中間層的構建可以有效地增加多孔鈦基體的比表面積，改善多孔鈦的孔道結構、同時增強活性層與多孔鈦基體的附著力，延長電催化多孔鈦濾膜的壽命。本發明可同時作為膜過濾材料以及電催化材料用于難生物降解有機廢水處理、微污染飲用水處理、再生水處理及其他受污染水體治理，屬于電化催化、膜過濾及廢水處理領域。

背景技術

相比有機膜材料及其他無機膜材料，多孔鈦濾膜以其優異的三維多孔結構、抗腐蝕性及傳質性能被廣泛用于制藥、水處理和食品加工等過程的精密過濾。同時多孔鈦濾膜還具有導電性優良、電化學穩定性好、抗氧化性強以及比表面積高的獨特優勢。此外，電催化氧化法由于在電流作用下能夠在電極界面上產生大量活性物質（·OH、活性氯等），對水中污染物的氧化去除具有反應條件溫和、去除率高、無需藥劑投加、環境友好、操作簡便等優異的性能。其中平板鈦為基體的金屬氧化物涂層電極是電催化氧化領域中最為廣泛使用的電極材料之一，已被廣泛的應用在電化學氧化廢水處理及各類電化學工業中，但是傳質性能差、能耗高、電流效率低等問題一直制約平板鈦電極的發展。

因此，以多孔鈦濾膜為基體制備負載金屬氧化物的電催化濾膜，這樣不僅可以充分發揮多孔鈦自身的流通式電極構型及孔道效應，依靠強制對流作用促進污染物的傳質，而其三維、連續、多孔結構可以為活性層的構建提供更多承載面積，促進電極催化活性和污染物的降解效率的提高，從而達到同步改進傳統平板傳質性能不佳以及傳統的碳基導電膜過濾材料中普遍存在的材料電化學穩定性差、易氧化、催化活性低的缺點。然而, 現有的多孔鈦濾膜仍存在比表面積相對較低（約0.1 m²/g），孔隙率偏小（約為30%）的缺點，因此在制備電催化多孔濾膜前亟需對多孔鈦基體進行孔道重新構造。可以設想，在鈦濾膜孔壁上通過構建具有微納結構的TiO₂ 中間層，不僅可以優化孔道結構，提高表面積及孔隙率，而且有助于提高電極催化活性及活性層與基體的結合力、增強其穩定性。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有微納結構的電催化多孔鈦濾膜及其制備方法，使傳統的多孔鈦濾膜不僅具有膜過濾的特性，還具有優良的電催化活性，重要的是通過具有微納結構的中間層構建對多孔鈦濾膜進行孔道再造，提高其表面積和孔隙率，同時促進催化劑的負載效果及提高與基體附著力。此外可以進一步按照不同用途需要選擇所需元素，負載一元或者多元的金屬氧化物活性層，負載的活化層具有分散性好、催化活性強、穩定性好的特點。最終得到的一種具有微納結構的電催化功能的多孔鈦濾膜具有對廢水中具有污染物去除率高、能耗低、使用壽命長、催化活性高等特點且制備方法簡單。

本發明的技術方案如下：

本發明提供一種具有微納結構的電催化多孔鈦濾膜，其特征在于：該濾膜由多孔鈦基體、具有微納結構的TiO₂中間層以及負載在中間層上的電催化活性層構成；所述具有微納結構的中間層為原位生長在多孔鈦基體上的TiO₂納米花、納米線、納米棒或納米管等集合體；所述電催化活性層構成為PbO₂、SnO₂、RuO₂、IrO₂、Sb₂O₅、Bi₂O₃等過渡金屬氧化物或上述多種金屬氧化物組成的復合金屬氧化物。所述的多孔鈦濾膜為平板狀、管狀，且平均孔徑范圍為0.45μm～50μm；

本發明提供的一種具有微納結構的電催化多孔鈦濾膜制備方法，其特征在于：該方法由以下三個步驟組成：

1）多孔鈦基體預處理：將多孔鈦浸泡含有HF酸和HCl的混合酸溶液中5 min～30 min，其中濃HF酸：濃HCl酸：去離子水體積比為1：1：200～1：1：100, 后經無水乙醇清洗放入真空干燥中入經80℃～120℃真空干燥，冷卻至室溫待用；

2）構建微納結構TiO₂中間層，可分別通過以下三種方法實現：