[發明專利]一種氮摻雜碳材陽極的制備及其在催化濕式空氣氧化中的應用

有效

• 申請號: 201910559273.2
• 申請日: 2019-06-26
• 公開（公告）號: CN110255697B
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 翟林峰;郭賀友;孫敏;張鋒
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C02F1/74
• 分類號: C02F1/74;C02F1/72;C02F101/38
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 喬恒婷

本發明公開了一種氮摻雜碳材陽極的制備及其在催化濕式空氣氧化中的應用，是以普通三維碳材為基底，EDTA為氮源，一定溫度下進行水熱氮摻雜反應；冷卻后取出碳材并清洗、干燥后置于管式爐內，氮氣氛圍中進行熱處理，得到氮摻雜碳材材料。常溫常壓下，在單室三電極體系中，將制備的氮摻雜碳材材料作為電池的陽極，鉑絲為對電極，甘汞電極為參比電極，1.0V電壓下，0.05mol·L^?1Na₂SO₄為電解質，一定pH條件下，催化空氣氧化染料廢水，可使一定濃度的多種染料在2h內完全去除。

技術領域

本發明涉及一種電助催化濕式空氣氧化催化劑的制備與應用，具體地說是一種氮摻雜碳材陽極的制備及其在催化濕式空氣氧化中的應用。

背景技術

氮原子與碳原子的半徑相近，因此與碳材之間的相容性好，易于摻雜進入碳的晶格中，并具有較高的穩定性和耐久性。另外，生成的N-C鍵可以使毗鄰氮原子的碳原子帶有更多的正電荷，電子吸附性的增強將為催化氧化還原反應創造更佳的條件，這些特性也使得氮摻雜被廣泛應用于各催化領域。溶劑熱或水熱法由于具有條件溫和、易操作、且適用于大規模制備等優點，是目前對碳材料進行氮摻雜改性的常用方法，其中報道較多的氮源有氨水、尿素、銨鹽、水合肼、三聚氰胺、三乙醇胺等。

濕式空氣氧化是一種能夠有效處理廢水中有機污染物的先進氧化技術。該技術最早由美國的F.J.Zimmermann在20世紀50年代提出，它是在高溫(125-320℃)和高壓(0.5-20MPa)條件下，采用空氣或者氧氣為氧化劑將液相中的有機污染物氧化成為二氧化碳、水和有機酸等簡單小分子的氧化過程(KimIhm,J.Hazard.Mater.2011,186，16-34)。濕式空氣氧化技術對于水體中各類有機污染物的處理效率較為穩定，不依賴外加化學藥劑且環境友好。然而，為了在較短時間內實現有機污染物的深度降解，濕式空氣氧化反應需要在高溫高壓條件下進行，這不僅對設備材質提出了苛刻的要求，而且能耗也非常高。選擇合適的催化劑可以在一定程度上降低濕式空氣氧化反應的溫度和壓力。然而，迄今為止，其仍需要80℃以上的操作溫度和0.5MPa以上的操作壓力(Zhang et al.,Sci.Rep.2014,4，6797)。而對于非均相催化劑而言，反應溫度越高，由催化劑的燒結或金屬離子浸出等導致的失活越嚴重(Keav et al.,Catal.Sci.Technol.2011,1,342-353)。開發氧化能力強、穩定性高、無金屬離子浸出的常溫常壓催化濕式空氣氧化系統，對于推動濕式空氣氧化技術工業化應用具有重要意義。

本申請選擇廉價易得的碳材作為基底，采用簡單的水熱法結合熱處理工藝，將氮摻雜到碳材表面，制備出氮摻雜碳材電極材料，在較低的外加電壓驅動下催化空氣在常溫常壓下氧化有機染料廢水。

發明內容

本發明旨在提供一種氮摻雜碳材陽極的制備及其在催化濕式空氣氧化中的應用，首先采用水熱法將氮摻雜到碳材表面，再通過合適的熱處理得到氮摻雜碳材。再以該氮摻雜碳材為陽極催化空氣氧化一定濃度的有機染料廢水，2h內降解率達到100％。

本發明氮摻雜碳材陽極的制備方法，包括以下步驟：

以普通三維碳材為基底，乙二胺四乙酸二鈉鹽為氮源，在一定溫度進行水熱氮摻雜反應；冷卻后取出碳材并清洗、干燥后置于管式爐內，氮氣氛圍中進行熱處理，得到氮摻雜碳材材料。

所述三維碳材選自碳纖維、碳氈、泡沫碳或碳布。使用前先用丙酮清洗，再通過1％H₂O₂水溶液于120℃水熱處理12h。

所述氮源為乙二胺四乙酸二鈉鹽，其用量為碳材質量的2.5-12.5倍。

所述水熱氮摻雜反應的反應溫度為120～200℃，反應時間為8～24h。

所述熱處理溫度為300～900℃，熱處理時間為1～5h。