[發(fā)明專利]一種碳?xì)重?fù)載鈰摻雜α-FeOOH納米片陣列電極及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011633186.6
• 申請(qǐng)日: 2020-12-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112811525B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 毛舜;劉瑩;楊玉霖
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 同濟(jì)大學(xué)
• 主分類號(hào): C02F1/461
• 分類號(hào): C02F1/461;C02F1/72;C02F101/34;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 上海科盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 楊元焱

本發(fā)明涉及一種碳?xì)重?fù)載鈰摻雜α?FeOOH納米片陣列電極及其制備方法與在電芬頓水處理中的應(yīng)用，制備方法包括首先配制含有鐵源與鈰源的水溶液；之后加入甘油與導(dǎo)電碳?xì)郑⑦M(jìn)行水熱反應(yīng)，再經(jīng)過(guò)后處理即得到納米片陣列電極；該納米片陣列電極可作為陰極材料，用于電芬頓反應(yīng)去除有機(jī)污染物。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明制備的鈰摻雜α?FeOOH納米片陣列負(fù)載碳?xì)蛛姌O合成方法簡(jiǎn)單、無(wú)金屬溶出、重復(fù)利用性能穩(wěn)定、高礦化率，在工業(yè)廢水處理中具有廣闊的前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水處理催化材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳?xì)重?fù)載鈰摻雜α-FeOOH納米片陣列電極及其制備方法與在電芬頓水處理中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

由于水體安全對(duì)所有生物物種都至關(guān)重要，因此水污染物的控制嚴(yán)重影響全球健康和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。芬頓反應(yīng)是一種有效的水污染控制策略，通過(guò)納米結(jié)構(gòu)酶模擬物產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的羥基自由基(·OH,E0＝2.80V/SHE)，進(jìn)而將水中的有機(jī)污染物氧化為無(wú)機(jī)態(tài)。值得注意的是，電解芬頓(EF)工藝由于能夠在陰極原位產(chǎn)生過(guò)氧化氫(H₂O₂)，避免了傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)中H₂O₂的高成本生產(chǎn)運(yùn)輸、存儲(chǔ)等難題，而成為一種具有潛力的污水處理技術(shù)。目前該技術(shù)的最大障礙之一是缺少具有高H₂O₂生成能力和·OH轉(zhuǎn)化效率的雙功能超高效催化劑，另一個(gè)障礙是催化劑必須負(fù)載在便攜的電極上如導(dǎo)電碳?xì)?CF)。這兩個(gè)方面阻礙了電芬頓反應(yīng)對(duì)難降解污染物的有效去除。為克服上述障礙，以非貴金屬為核心的高級(jí)催化功能化的CF陰極作為一種極具前景的方法而逐漸成為該領(lǐng)域的重要研發(fā)方向，并引起了人們的廣泛關(guān)注。

在均相芬頓反應(yīng)中，金屬離子的加入會(huì)造成二次污染，產(chǎn)生含金屬污泥，且回收困難。使用納米材料修飾的CF電極進(jìn)行非均相電芬頓反應(yīng)可以解決難降解污染物去除的技術(shù)挑戰(zhàn)。鐵(Fe)催化劑作為一種典型的H₂O₂活化劑，天然資源豐富，對(duì)環(huán)境友好，在電芬頓過(guò)程中具有作為陰極材料的潛力。鈰(Ce)作為一種稀土元素，在H₂O₂存在下能夠進(jìn)行氧化還原循環(huán)，并在類芬頓反應(yīng)中表現(xiàn)出與鐵相似的催化活性。Xu等人發(fā)現(xiàn)納米氧化鈰(CeO₂)可以提高Fe₃O₄的催化活性，并具有較少幾何約束的二維(2D)納米薄片表現(xiàn)出大量暴露活性位點(diǎn)以及優(yōu)越的電子轉(zhuǎn)移和快速質(zhì)量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。此外，在無(wú)粘結(jié)劑的情況下，在CF襯底上生長(zhǎng)具有空間取向的二維納米片，可以避免納米材料的聚集，對(duì)于廢水處理更加實(shí)用。相對(duì)于模板和表面活性劑的常規(guī)合成方法，在溫和條件下合成層狀雙羥基(LDHs)和類LDH納米片更為可取。

由于Fe(II)能增強(qiáng)Ce(IV)/Ce(III)價(jià)態(tài)循環(huán)，在二維納米片納米邊緣錨定鐵和鈰作為高性能EF陰極具有巨大的潛力。最近一種“準(zhǔn)反向乳液”溶劑熱法被報(bào)道在水和甘油之間的微觀不均一環(huán)境中生成中空納米結(jié)構(gòu)。與常見(jiàn)的水熱法合成Fe-LDH所用的OH^-釋放沉淀劑氟化銨不同，甘油無(wú)毒，無(wú)腐蝕性。更重要的是，水和甘油之間的任意溶解度比例能夠產(chǎn)生豐富的微界面。此外，常用的方法中發(fā)現(xiàn)二維納米片結(jié)構(gòu)存在明顯的不均勻和團(tuán)聚，導(dǎo)致暴露的Fe和Co的活性位點(diǎn)有限，阻礙電化學(xué)活性以及催化活性。然而，在甘油的存在下，可以制備出由二維納米薄片組成的、具有均勻非聚集結(jié)構(gòu)的類似海膽的Fe-LDH空心球。