[發明專利]鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202210223000.2
• 申請日: 2022-03-09
• 公開（公告）號: CN114534726A
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 曾滔;金職權;駱金簫;宋爽
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;C02F1/461;C02F1/72;C25B1/30;C25B11/091;C02F101/30;C02F101/34;C02F101/36;C02F101/38
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟

本發明涉及一種鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極及其制備方法與應用，其包括：通過分步煅燒的方法合成一種鐵?氧?碳單原子催化劑，將所得的催化劑滴涂在活性炭纖維上，從而形成一種高過氧化氫產率且能夠快速傳質的高性能鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極。過氧化氫在鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極高效原位產生，并在單原子鐵位點的催化作用下原位生成羥基自由基，過氧化氫的產率得到大幅度的提升，將陰極表面富集的難降解有機污染物高效催化，從而實現微污染物的高效去除，且能保持良好的穩定性，在能源和環境保護領域有較高的應用價值。

技術領域：

本發明屬于納米材料和環境技術領域，涉及一種鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極及其的制備方法與及應用。

背景技術：

由于城市工業化的深入與化工行業的發展，難降解有機污染物(POPs)是在于水體中被越來越廣泛地檢出，進而引起人們越來越廣泛的關注。然而由于其濃度低、毒性高的特點，傳統的凈水方法(例如混凝、沉淀、氯化消毒等)和污水處理途徑(例如物理化學、生化法)難以有效處理。低濃度的特點導致常規處理手段污染物傳輸的驅動力不足。因此，亟需開發一種先進的手段來有效、快速地從水中去除難降解有機污染物。

電芬頓技術是一種改進的芬頓工藝，由于其氧化能力強、環境友好和易于操作等較為理想的特性，最近引起了廣泛關注。該技術可原位合成過氧化氫，避免了傳統芬頓體系中過氧化氫的運輸、儲存和使用等風險。外加電場有利于亞鐵離子的再生，從而減少鐵泥的產生和亞鐵的消耗。然而，關于電芬頓技術的實際應用的報道很少，主要是因為以下瓶頸尚待克服：(i)高產率的活性物質，(ii)具有高速質量傳輸的先進電化學反應器，以及(iii)高效、持續、穩定的新型反應系統。

發明內容：

本發明目的在于，提出一種新型鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極的制備方法并將其應用于過濾電芬頓體系。該方法采用通過分步煅燒的方法合成一種鐵-氧-碳單原子催化劑，將所得的催化劑滴涂在活性炭纖維上，從而形成一種高過氧化氫產率且能夠快速傳質的高性能鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極。過氧化氫在鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極高效原位產生，并在單原子鐵位點的催化作用下原位生成羥基自由基(·OH)，過氧化氫的產率得到大幅度的提升，將陰極表面的難降解有機污染物高效催化，從而實現微污染物的高效去除

為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：

第一方面，本發明提供一種鐵-氧-碳單原子催化劑，所述鐵-氧-碳單原子催化劑按如下方法制備：

將鄰苯二甲酸與六水合硝酸鐵溶于體積比1：1-5(優選1：3)的甲醇與丙酮的混合溶液中，加入介孔碳材(如石墨烯、CMK-3，優選CMK-3),室溫下攪拌至溶劑完全揮發；所得產物在氬氣氛圍中以2-10℃/min(優選5℃/min)的升溫速率在150-300℃(優選250℃)保持0.5-2h(優選1h)后，再升溫至700-900℃(優選800℃)煅燒0.5-3h(優選2h),冷卻至室溫；所得產物在70-100℃(優選80℃)的1-3M(優選2M)鹽酸中處理6-10h(優選8h)后，以去離子水洗滌至中性，得到鐵-氧-碳單原子催化劑；所述鄰苯二甲酸、六水合硝酸鐵與有序介孔碳的質量比為1：0.1-5：0.1-5(優選1：1：2)。

進一步，所述甲醇與丙酮的混合溶液的體積為足夠溶解所述鄰苯二甲酸與六水合硝酸鐵的最小劑量。

第二方面，本發明提供一種以上述鐵-氧-碳單原子催化劑制備的單原子鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極，所述單原子鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極按如下方法制備：

將所述鐵-氧-碳單原子催化劑加入乙醇和nafion試劑的混合溶液，分散均勻后，滴涂在經過預處理的活性炭纖維上，干燥，得到所述的單原子鐵/氧摻雜碳基過濾式電芬頓陰極；所述乙醇和nafion試劑的混合溶液中，乙醇與nafion試劑體積比25-100：1(優選59：1)；所述鐵-氧-碳單原子催化劑的質量以所述乙醇和nafion試劑的混合溶液的體積計為1-3mg/mL(優選2mg/mL)。