[發明專利]一種基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料的制備方法及其產品和應用

有效

• 申請號: 202110268053.1
• 申請日: 2021-03-12
• 公開（公告）號: CN113023835B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發明（設計）人: 魏佳;邢璐伊
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C02F1/461
• 分類號: C02F1/461;C02F1/467;C02F1/72
• 代理公司: 北京盛詢知識產權代理有限公司 11901
• 代理人: 劉靜

本發明提供一種基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料的制備方法及其產品和應用。將市政污泥處理后得到生物質粉末，與尿素以固定比例混合加入去離子水中進行水熱反應，得到預熱解的摻氮生物質粉末；然后再在750?850℃條件下進行熱解，得到摻氮污泥基生物質炭；再將其與聚四氟乙烯分散液、乙醇混合均勻后，將獲得的物質壓在泡沫鎳上，待加熱并穩定后，得到基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料。它可用在電芬頓系統中，對有機廢水進行降解，在反應過程中，H₂O₂產量高達104.02mg/L，可用于污水處理領域。

技術領域

本發明涉及電芬頓陰極材料領域，具體涉及一種基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料的制備方法及其產品和應用。

背景技術

電芬頓技術作為一種新型高級氧化技術，其基本原理是氧氣在陰極材料表面發生原位兩電子氧還原反應(ORR)(公式1)，生成過氧化氫(H₂O₂)，生成的H₂O₂進一步與溶液中Fe²⁺反應生成具有強氧化性的羥基自由基(·OH)，最終通過·OH強氧化性實現難降解有機污染物的降解和去除。

O₂+2e^-+2H⁺→H₂O₂(E₀＝0.695V/SHE) (1)

H₂O₂的產量是影響電芬頓反應降解去除廢水中污染物質的重要因素，電芬頓生成H₂O₂主要通過陰極表面氧還原過程實現，因此，陰極材料是制約電芬頓系統發展的主要因素，選擇合適的電芬頓陰極材料至關重要。

目前，已開發的電芬頓陰極材料有多孔石墨、網狀玻璃碳、炭-聚四氟乙烯(PTFE)氣體擴散電極等。這些電極材料存在著價格昂貴，制作工藝和原材料復雜等缺點，其電芬頓氧還原反應的反應活性低、選擇性低，導致陰極H₂O₂積累量有限。

生物質炭是一種成本低、制備簡單且富含碳元素的多孔材料，含有大量的表面官能團以及芳香化結構。近些年來，廢棄生物質轉化的生物質炭不僅在土壤修復、碳固存、生物燃料等領域得到重視，而且在水體污染治理方面也被學者們關注，比如重金屬/有機物吸附劑、電極的修飾制備等。因此，本領域研究人員為了提高陰極H₂O₂積累量提出了利用生物質炭對基體碳材料進行化學摻雜，發現經過合理生物質炭修飾改性的碳材料性能明顯提升，極大改善了材料的疏水性能，降低了氧氣還原電位，對基體材料表面H₂O₂的產生提供了有利的條件，但是發現經過生物質炭改性的電芬頓陰極材料同時出現了穩定性差和成本高的問題，而且應用于水體污染物降解領域時其電催化效率也存在降低現象。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料的制備方法及其產品和應用，通過以尿素和污泥基生物質為原材料制備一種電芬頓陰極材料，以提高電芬頓陰極材料穩定性，降低成本，同時提高電催化效率。

為實現上述技術目的，本發明提供如下技術方案：

一種基于污泥基生物質炭的電芬頓陰極材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將尿素與經過預處理的生物質粉末混合并溶于去離子水中，得到混合溶液后在150-170℃條件下保持9-11h進行水熱反應，冷卻，干燥脫水，得到預熱解的摻氮生物質粉末；

(2)在步驟(1)得到的預熱解的摻氮生物質粉末中通入氮氣，在750-850℃條件下保持0.5-1.5h進行熱解反應，得到摻氮生物質炭粉末；

(3)將步驟(2)得到的摻氮生物質炭粉末與聚四氟乙烯分散液和乙醇混合，加熱成膏狀物質；