[發明專利]一種多孔Fe/C/N復合材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811523670.6
• 申請日: 2018-12-13
• 公開（公告）號: CN109626670B
• 公開（公告）日: 2022-04-29
• 發明（設計）人: 李文衛;陸家緣;胡曉;柳后起
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學蘇州研究院
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 范晴

本發明涉及材料技術領域，本發明提供一種高效、穩定、環保多孔鐵碳復合材料作為電芬頓陰極，以提高電芬頓體系的污染物降解效率和可持續性。該材料以鐵基金屬骨架有機化合物MIL?(100)Fe為前驅體，以聚苯胺(polyaniline，PANI)為碳源與氮源，經高溫碳化得到Fe/C/N多孔復合材料。本發明的Fe/C/N復合材料具有高效且穩定的非均相電芬頓催化性能，在實際應用中，該材料具備氧還原作用和芬頓催化作用，可在電離生成H₂O₂的同時催化H₂O₂生成·OH，無需投加其他試劑或催化劑。

技術領域

本發明涉及材料技術領域，更具體地說，是涉及一種多孔Fe/C/N復合材料及其制備方法。

背景技術

高級氧化法(Advanced oxidation processes,AOPs)又稱深度氧化法，是利用氧化劑、催化劑、光、電超聲波等技術，在反應中產生大量具有強氧化性的氧化活性物質(如·OH等)，通過氧化活性物質與有機污染物的反應，將難降解有機污染物進行快速礦化的污水處理工藝，常應用于污水的預處理或深度處理。

電芬頓技術(Enric Brillas,I.S.s.,and Mehmet A.Oturan,Electro-FentonProcess and Related Electrochemical Technologies Based on Fenton’s ReactionChemistry.Chem.Rev.2009,109,6570-6631)是高級氧化技術的一種，其核心是利用陰極的還原作用原位還原O₂生成H₂O₂。產生的H₂O₂與Fe²⁺反應，產生·OH自由基：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂

H₂O₂+Fe²⁺→Fe³⁺+·OH+OH^-

陰極的還原作用還可促進Fe³⁺→Fe²⁺循環，實現Fe²⁺的再生從而使催化反應能持續進行:

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺

電芬頓技術的優勢在于實現了H₂O₂的原位生成，不需要外加過氧化氫，這不僅減少了工藝運行成本，還有效避免了試劑在投加過程中可能產生的危險；此外，電芬頓技術還具有工藝構造簡單，反應條件溫和、操作簡便、H₂O₂濃度穩定，以及可再生Fe²⁺等優點。然而，Fe²⁺的再生往往是整個反應的限速步驟。為了解決這個問題，目前的電芬頓體系大多通過采用犧牲陽極法或外加試劑來不斷補充Fe²⁺。但是，這種方式不僅增加了Fe²⁺的消耗，而且反應后生成的Fe(OH)₃污泥也增加了工藝的后續處理成本。

一種更有效的解決方案是采用負載Fe元素的非均相催化劑替代均相的Fe²⁺。例如，研究者嘗試將鐵鹽通過一定的方式固定于氧化硅、活性炭和石墨烯等載體上，再通過烘干或焙燒等手段制備出非均相鐵催化劑。該類催化劑材料富含鐵氧化物因此通常具有磁性，可重復使用，從而降低Fe的消耗并且減少后續處理成本；此外，高比表面積的催化劑載體也有利于污染物的吸附，從而進一步提高催化效率。然而，已有的非均相芬頓催化劑仍然存在一些缺陷：(1)催化位點在載體上分布不均勻；(2)使用過程中催化劑易發生團聚；(3)催化劑上鐵的再生效率低；(4)催化劑與陰極產生的H₂O₂間的傳質阻力較大。