[發明專利]一種用于電化學過濾水處理的電極及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202011308569.6
• 申請日: 2020-11-20
• 公開（公告）號: CN112429817A
• 公開（公告）日: 2021-03-02
• 發明（設計）人: 吳東海;陸光華;沈燁;李玥嫻;劉建超;閆振華
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 方亞曼

本發明公開了一種用于電化學過濾水處理的電極及其制備方法與應用，包括MXene和對其進行修飾改性的催化成分，還可包括碳材料，電極結構為膜狀。制備的電極比表面積較大，且具有較好的透水性，利用其構建的電過濾體系物質傳質效率高，在電極表面的氧化還原反應速率快。同時利用復合金屬或金屬氧化物對MXene修飾改性，可在電化學反應過程中引發新的諸如類芬頓氧化等催化反應，從而強化污染物的去除。鏈式催化反應過程中金屬元素之間亦可形成互補，提高催化劑活性和水處理效率。本發明公開的膜電極制備簡便，處理高效，兼具吸附、導電、催化等多種功能，適用于電化學過濾體系進行水處理。

技術領域

本發明涉及水處理用膜電極技術領域，尤其是一種用于電化學過濾水處理的電極。

背景技術

高效的水處理對保障人類用水和排水安全至關重要。在眾多的水處理技術中，電化學技術因其對污染物的降解較徹底、能耗低、具備良好的可操控性等優點而受到人們的青睞。但傳統的電化學水處理過程往往受到電極材料的性能、電極面積、反應體系傳質、水體導電性等因素的限制，需要通過高性能電極的研制、反應體系的改進等手段來提高其處理效率。

通過電化學反應體系的改進，可促進液相反應體系中反應物與電極的接觸，強化傳質。近年來，電化學過濾技術在水處理領域受到了關注。通過驅動液相體系穿透流經電極，極大地提高了反應物與電極的接觸，從而促進其在電極表面的反應，克服了傳統電化學體系電極表面反應效率較低的弊端。

電化學過濾技術具有高效的處理性能和良好的應用前景，但相關高性能膜電極還有待改進和研發。目前，碳材料是電化學用膜電極制備的主要材料之一。但傳統的碳材料電極反應效率還有待提高，而一些納米碳材料也存在疏水性、分散性較差等缺陷。MXene是一種新穎的材料，可用于電化學電極的制備，以及作為一些催化劑的載體用于水處理。結合碳材料和MXene可能會提高電極的電化學性能和透水性能，而如何進一步提高水處理中對污染物的催化氧化降解性能是該類研究所需解決的關鍵問題之一。

發明內容

發明目的：為了解決現有技術所存在的問題，本發明提供了一種用于電化學過濾水處理的電極，制備方法簡便，有效提高電極的電化學性能和透水性能。

技術方案：為達到上述目的，本發明可采用如下技術方案：一種用于電化學過濾水處理的電極及其制備方法與應用，包括MXene和對其進行修飾改性的催化成分，其結構為膜狀。所述催化成分負載在MXene表面，二者合成改性MXene。

更進一步的，所述MXene基質優選為Ti₂C₃；所述催化成分為復合金屬或金屬氧化物。

更進一步的，所述改性MXene的制備方法如下：將MXene分散于去離子水或有機溶劑中，攪拌或超聲處理10～30分鐘，使其均勻分散于液相體系中；然后投加具有催化類芬頓反應性能的金屬或金屬鹽；投加適量的有機輔助溶劑，攪拌均勻后移至反應釜內加熱至80～180℃，熱反應4～24小時后取出，用去離子水或有機溶劑洗滌、干燥后得改性MXene。

更進一步的，所述有機溶劑選自乙醇、二甲亞砜、丙酮中的一種。

更進一步的，所述有機輔助溶劑選自乙醇、聚乙二醇中的一種。

更進一步的，電極成分還包括碳材料。所述碳材料為粉末狀或膜片狀，具體選自碳納米管、氧化石墨烯、活性炭、炭黑、碳纖維、石墨中的至少一種。所述改性MXene和碳材料的質量比為1:(2-15)。

更進一步的，還包括過濾截留基質，具體選自泡沫金屬濾膜、金屬氧化物濾膜、陶瓷膜、有機質濾膜中的一種。

本發明還公開了上述一種用于電化學過濾水處理的電極的制備方法包括如下步驟：當碳材料為粉末狀時，將改性MXene與粉末碳材料按配方質量比例在去離子水或有機溶劑中混合均勻，真空抽濾至過濾截留基質上，真空干燥，即得電極；