[發明專利]一種三維Fe-Mo-S催化劑負載的多孔碳電極的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 202011282746.8
• 申請日: 2020-11-17
• 公開（公告）號: CN112897495A
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發明（設計）人: 黃理志;楊攀;郭景宜;陳若儀;劉嘉瑋;馮健恒;萬泓廷;唐嘉怡;曾洪濤
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C02F1/461;C02F9/04;C02F9/02;H02J7/35
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

本發明屬于電芬頓陰極材料的合成及電芬頓水處理技術領域。一種三維Fe?Mo?S催化劑負載的多孔碳電極的制備方法，其特征在于包括如下步驟：步驟S1：首先將潔凈的碳纖維氈在濃硝酸中浸泡，隨后清洗碳纖維氈至中性；步驟S2：分別稱量0.3475～1.0425g的FeSO₄·7H₂O、0.3024～0.9072g的Na₂MoO₄·2H₂O和1.5993～4.7979g的L?Cys氨基酸加水溶于反應釜內膽中，超聲、攪拌，并定容至200mL；步驟S3：放入洗凈的碳纖維氈；步驟S4：將反應釜放入電熱鼓風烘箱中進行合成；步驟S5：清洗、烘干，獲得產品。通過水熱法將Fe?Mo?S催化劑負載在碳纖維氈上，高效地產生羥基自由基，進而氧化降解污水中的有機污染物，催化效果顯著；且涉及的制備工藝簡單，材料價格較低。

技術領域

本發明屬于電芬頓陰極材料的合成及電芬頓水處理技術領域，特別涉及一種三維Fe-Mo-S催化劑負載的多孔碳電極的制備方法及其在光電聯用水處理裝置中的應用。

背景技術

碳纖維氈(多孔碳)是由高聚物高溫碳化后制成的氈狀多孔性材料，其原料豐富、廉價、易生產、疏松多孔、表面積大且具有良好的化學穩定性和導電性。因此可作為催化劑的理想載體。有孔結構則導致了其具有更多暴露的催化活性邊緣位點。

氧化還原反應的速率決定了電池的工作效率，而反應速率是由催化劑所決定的。由于陰極的氧化還原反應(ORR)的過電位遠大于陽極的氧化反應的過電位，陰極的電極反應比陽極更難進行，因此研究陰極的催化劑具有更深刻的意義，負載的催化劑類型是提高電芬頓反應效率的關鍵。金屬離子是常用的均相催化劑，雖然催化效率高，但有著無法回收利用、易造成二次污染、易產生金屬泥等缺點。異相金屬催化劑在反應過程中較穩定，易回收利用，然而活性較低、選擇性較差，催化過程只發生在催化劑的表面，材料內部的金屬原子不參與反應；傳統的納米異相催化劑很難有均一的反應活性中心，選擇性較差。

單原子催化劑(SACs)結合了非均相催化劑和均相催化劑的優點，同時又彌補了它們之間的不足之處：與非均相催化劑相比，提高了原子利用率，具有均一的活性位點和可調節的電子環境，以實現高催化活性和選擇性；與均相催化劑相比，具有更高的穩定性和更佳的可回收性；與傳統納米和塊體催化劑相比，SACs具有高活性、高選擇性好及100％原子利用率等優點，降低了金屬離子溶出的風險。實驗及理論研究表明當粒子分散度達到單原子尺寸時，會引起很多新的特性，如急劇增大的表面自由能、量子尺寸效應、不飽和配位環境和金屬- 基體的相互作用(SMSI)可引起電子結構改變。其催化活性位點最大限度地暴露出來，提高了催化劑的利用效率，從而降低催化劑的成本。

同時，為了能高效處理高濃濃度有機廢水，近年來電催化氧化技術得到了迅速的發展。電化學方法處理廢水具有易于控制、無污染或少污染、高度靈活性和經濟性等特點，是當前環境科學和工程領域的研究熱點。高濃度廢水水質成分復雜，有機物含量高，如單獨使用物化法或膜法等傳統處理方法進行處理，往往難以達到理想的處理效果。而電芬頓氧化氧化可在常溫常壓下操作，利用電化學法產生Fe²⁺和H₂O₂作為芬頓試劑，一般具有化學藥劑成本低、設備簡單、操作方便、投資和運行費用低廉、占地面積小、污泥量很少及環境兼容等優點。

然而，目前的電芬頓技術在實際應用中電耗較大，導致運行費用較高；傳統的鐵電極作為催化電極效果一般，而且在運行過程中陽極鐵板會腐蝕溶出鐵離子，電極不僅需要定期更換，而且溶出的鐵離子會產生大量的鐵泥廢渣，由于鐵泥中含有大量的有毒物質，必須作為危廢處理，處理成本極高；但是傳統的芬頓方法中由于需要外加H₂O₂和Fe²⁺，從而增加了造價，反應過程中會產生大量需要二次處理的氫氧化鐵污泥副產物，并且反應開始時加入的Fe²⁺會轉化成Fe³⁺，使反應速率減慢。另外，傳統的平板電極比表面積較小，處理效果較差，特別是在廢水電導率較低時的處理效果不理想。

發明內容