[發(fā)明專利]一種以鈦片為基底的超薄磷化鐵納米陣列電催化劑、其制備方法及應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210185440.3
• 申請日: 2022-02-28
• 公開（公告）號: CN114538592A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉小強(qiáng);袁江豐;牛佳祺;秦騰騰;李芬
• 申請（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號: C02F1/70
• 分類號: C02F1/70;C02F1/461;C02F101/16
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 張麗

本發(fā)明公開一種以鈦片為基底的超薄磷化鐵納米陣列電催化劑、其制備方法及應(yīng)用，具體為：首先采用酸洗法將鈦片表面的氧化物和雜質(zhì)除去，然后用簡單的水熱法將羥基氧化鐵（FeOOH）生長在鈦片表面得到FeOOH納米陣列（FeOOH NA|Ti），隨后采用低溫磷化法在氮?dú)饬飨聦eOOH磷化，形成磷化鐵納米陣列（FeP NA|Ti）。采取該方法所制備的FeP NA|Ti具有較為均一的納米陣列結(jié)構(gòu)和超薄的FeP層，通過多種測試，證明該納米陣列電催化劑可在合適的外加還原電位下高效選擇性的將亞硝酸鹽（NO₂^?）還原成氨（NH₃），同時(shí)具有高活性、低成本和無毒性等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)亞硝酸鹽污染物的去除和資源化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于廢棄物資源化利用領(lǐng)域，具體涉及一種以鈦片為基底的超薄磷化鐵納米陣列電催化劑、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)

亞硝酸鹽被列為A類致癌物，可對生物體產(chǎn)生巨大的危害。亞硝酸鹽在體內(nèi)可轉(zhuǎn)化為亞硝胺，亞硝胺具有強(qiáng)烈的致癌性，是許多癌癥的元兇。嬰兒對亞硝酸鹽特別敏感，最常見的相關(guān)疾病就是藍(lán)色嬰兒綜合征，這是由于NO₂^-破壞了血液中的血紅蛋白，導(dǎo)致缺氧所引起的，嚴(yán)重的可致死。與此同時(shí)，亞硝酸鹽作為重要的工業(yè)化學(xué)品廣泛應(yīng)用于食品添加劑、印染和制藥等領(lǐng)域，作為工業(yè)廢水而排放；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，由于化肥的大量使用，導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境中存在大量NO₃^-，這些NO₃^-在環(huán)境中經(jīng)過微生物生化反應(yīng)轉(zhuǎn)化成大量的NO₂^-；此外，人類生活廢水和廢棄物中也含有大量硝態(tài)化合物，這些廢水和廢棄物流入生態(tài)環(huán)境中，造成了大量的亞硝酸鹽污染。以上多種因素使得亞硝酸鹽成為最普遍的水體污染物之一。

當(dāng)前對亞硝酸鹽廢水處理的技術(shù)主要包括微生物法、離子交換法和反滲透法等。由于微生物對環(huán)境的敏感性，微生物法對廢水理化性質(zhì)要求比較苛刻，對生物毒性廢水和不含有機(jī)物的工業(yè)廢水的處理存在著很大困難。此外，我國冬季大部分地區(qū)都十分寒冷，冬季廢水溫度低，微生物活性弱，這使得微生物法在冬季可能無法使用。而離子交換法和反滲透法都會產(chǎn)生高濃度二次廢水，并且離子交換柱和反滲透膜成本高，制作工藝復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中受到較大的限制。

近年來，電催化廢水處理技術(shù)得到了快速的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步。由于使用電子作為還原劑，電催化技術(shù)可長時(shí)間持續(xù)穩(wěn)定的對廢水進(jìn)行處理；相較于傳統(tǒng)的化學(xué)催化反應(yīng)，電催化反應(yīng)更加綠色高效；同時(shí)還具有易分離、全天候、低成本和高效能等優(yōu)點(diǎn)，因而成為一種非常有前景和應(yīng)用價(jià)值的廢水處理技術(shù)。在電催化技術(shù)應(yīng)用過程中，電催化劑材料是決定整體催化性能的關(guān)鍵因素，合格適用的催化劑材料應(yīng)具有優(yōu)異的催化性能、良好的穩(wěn)定性、低毒性和低成本等要求。如何選擇制備同時(shí)滿足這些條件的電催化劑來處理廢水具有很大的挑戰(zhàn)性。

作為人類社會最重要的工業(yè)化學(xué)品之一，全球每年通過Haber-Bosch法生產(chǎn)的氨達(dá)到了1.5億噸，然而Haber-Bosch法需要在500℃高溫和200bar強(qiáng)壓下進(jìn)行反應(yīng)，導(dǎo)致該生產(chǎn)領(lǐng)域消耗了全球年能源消耗總量的1％，并占據(jù)了全球碳排放總量的2％。因此，探索研發(fā)氨的綠色合成新技術(shù)對整個人類社會具有極其重要的意義。目前，大量的研究工作運(yùn)用電催化/光催化技術(shù)還原氮?dú)猱a(chǎn)氨，但是該類方法產(chǎn)率極低，并且由于氮?dú)廪D(zhuǎn)化過程中氮源的不確定性，以及檢測微量氨存在較大干擾和困難，因而此類氨生產(chǎn)技術(shù)存在著巨大爭議，發(fā)展前景受到嚴(yán)重的質(zhì)疑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球氨產(chǎn)量的80％都用于農(nóng)業(yè)化肥的生產(chǎn)，但是化肥實(shí)際利用率不到50％，其它未利用的成分都通過河流、降雨和土壤等進(jìn)入了生態(tài)環(huán)境，轉(zhuǎn)化為硝酸鹽和亞硝酸鹽等污染物，這對生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響，也導(dǎo)致全球許多地區(qū)地下水亞硝酸鹽含量嚴(yán)重超標(biāo)。如果能用一種簡單有效的方法將亞硝酸鹽高效和選擇性的轉(zhuǎn)化為氨，將會變廢為寶，給綠色低能耗生產(chǎn)氨帶來革命性的進(jìn)步，對于社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。而污染物再資源化被認(rèn)為是一種將污染物去除和實(shí)現(xiàn)再生產(chǎn)相結(jié)合的新興技術(shù)。