本發(fā)明屬于電催化，具體涉及一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極及其制備方法和應用。

背景技術：

1、苯酚具有穩(wěn)定的結構，不易被降解。存在于環(huán)境中的苯酚對水體和大氣均會造成污染。未經(jīng)處理的含酚廢水直接排入水體，會危害水生生物的繁殖和生存，進而影響人類。目前，從廢水中去除苯酚的主要處理方法包括物理法、化學法和生物法。近年來，吸附法、生物法、電催化氧化法和光催化氧化法等技術被開發(fā)用于消除苯酚，但仍存在處理成本高、降解效率低、產生二次污染等問題。電催化氧化中的電芬頓技術在降解苯酚廢水中具有高效、簡便的優(yōu)勢。因陰極原位生成h2o2、氧化能力強等優(yōu)點而得到國內外廣泛研究。

2、然而，傳統(tǒng)的電芬頓技術通過曝氣實現(xiàn)h2o2的原位生成，這增加了輔助能量的消耗。同時電芬頓存在金屬離子浸出的缺點，這導致其在實際應用過程中受限。因此，開發(fā)新型電芬頓陰極，節(jié)約曝氣成本、減少金屬離子浸出在污水處理領域具有重要的科學意義。

3、相關現(xiàn)有技術中，中國發(fā)明專利（發(fā)明名稱：一種浮動式自然空氣擴散電芬頓電極及處理難降解污水的方法，公布號cn116768328a）制備具有碳基空氣擴散層和催化層的電極。將電極浮動在反應溶液上實現(xiàn)氧氣向電極的自然擴散，通過電催化生成h2o2并利用催化劑層中的fe2+發(fā)生芬頓反應生成·oh降解污染物，以外源金屬為催化劑不可避免會面臨金屬離子浸出導致的二次污染問題，在節(jié)約曝氣成本的基礎上避免二次污染問題亟待解決。

技術實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術中存在的問題。本發(fā)明旨在提供一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極及其制備方法和應用，本發(fā)明所制備的陰極材料在電芬頓技術處理苯酚廢水領域具有良好的應用潛力。既節(jié)約了曝氣成本又避免了金屬離子浸出所造成的二次污染問題。

2、本發(fā)明的目的之一是一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，包括如下步驟：

3、步驟一、將碳氈基底表面作清洗預處理；

4、步驟二、將含氮的前驅體物質和石墨分散在乙醇中，得到前驅體溶液；

5、步驟三、將聚四氟乙烯濃縮分散液加入步驟二所制備得到的前驅體溶液進行混合分散均勻，得到混合溶液；

6、步驟四、將步驟三所制備的混合溶液均勻涂敷在步驟一預處理后的碳氈基底上；

7、步驟五、將步驟四涂敷后的碳氈進行干燥，然后進行煅燒，再經(jīng)冷卻后得到氮摻雜碳電極。

8、作為優(yōu)選方案，所述步驟一中，將碳氈先后分別置于乙醇和去離子水中進行超聲清洗。

9、作為優(yōu)選方案，所述步驟二中，所述前驅體物質選自三聚氰胺、硝酸銨或尿素。

10、作為優(yōu)選方案，所述步驟三中，投加所述四氟乙烯濃縮分散液與步驟二中的乙醇的體積比為0.003~0.010：1。

11、作為優(yōu)選方案，所述步驟三中，投加所述聚四氟乙烯濃縮分散液與所述步驟二中的石墨的質量比為0.65~2.15：1。

12、作為優(yōu)選方案，所述步驟三中，將聚四氟乙烯濃縮分散液加入步驟二所制備得到的前驅體溶液進行超聲混合分散均勻，得到混合溶液，超聲分散時間為10~20?min。

13、作為優(yōu)選方案，所述步驟五中，所述煅燒條件為：在管式爐中以2℃/min~10℃/min升溫速率至300℃~360℃，煅燒30~50?min。

14、本發(fā)明的目的之二是提供一種根據(jù)上述任一項所述制備方法制得的陰極。

15、本發(fā)明的目的之三是提供根據(jù)上述所述陰極在電芬頓產h2o2中的應用。

16、本發(fā)明的目的之四是提供一種所述氮摻雜碳呼吸陰極材料在電芬頓降解苯酚廢水中的應用，所述應用方法包括為：配制苯酚溶液，取電解液于單室反應器中，以氮摻雜碳材料為電芬頓陰極，反應在室溫下進行。

17、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少具有如下有益效果：

18、其一、本發(fā)明的電極制備方法，以cf為基底，將外源氮負載到陰極材料上，雜原子氮的引入作為材料表面催化活性位點激活h2o2生成·oh去除污染物，不需要額外投加fe2+且不會產生鐵污泥污染。本發(fā)明通過嚴格控制制備條件和煅燒工藝參數(shù)，整個制備過程清潔無污染，所制備電極材料穩(wěn)定性高，在無曝氣的情況下能實現(xiàn)高產h2o2。在無外源金屬添加的情況下通過引入氮物種激活h2o2生成·oh降解苯酚。

19、其二、本方案的制備電極是一種性能優(yōu)異、綠色環(huán)保的電芬頓陰極，其以cf為基底，具有廉價易得、比表面積較大、導電性性優(yōu)異、結構緊密多孔等優(yōu)點，在電芬頓體系中無額外曝氣情況下，可以利用空氣中的氧氣和陽極氧化產生的氧氣在陰極表面通過2e-氧還原反應產生h2o2，從而為氧還原產生h2o2陰極材料的制備提供了一種新思路。

20、其三、本發(fā)明還提供一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的應用，本制備方法所制備的電極材料是一種極具潛力的電芬頓陰極材料，通過本發(fā)明所制備材料的疏水表面存在多級微-納米結構能夠與反應溶液和氧氣構建豐富的氣-液-固三相界面。本方案通過將氮摻雜碳呼吸陰極垂直式?jīng)]入反應溶液并暴露在反應溶液上方一定高度，利用構建的氣-液-固三相界面直接利用空氣中的氧氣，避免曝氣，三相界面的建立能夠有效避免反應溶液阻塞固體電極與氣體的接觸。超疏水表面與液體接觸時形成與大氣連接的氣囊，將氣體引入反應界面。電極表面形成的氣體、液體、固體三相共存的反應界面有助于強化氧氣的傳質作用，促進空氣中的氧氣快速傳輸至多孔碳材料表面并進一步還原生成h2o2。本發(fā)明制備的氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極用于降解苯酚，反應180?min苯酚去除率能夠達到95%以上，部分條件下接近甚至達到100%，降解應用效果顯著。

技術特征：

1.一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟一中，將碳氈先后分別置于乙醇和去離子水中進行超聲清洗。

3.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟二中，所述前驅體物質選自三聚氰胺、硝酸銨或尿素。

4.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，投加所述四氟乙烯濃縮分散液與步驟二中的乙醇的體積比為0.003~0.010：1。

5.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，投加所述聚四氟乙烯濃縮分散液與所述步驟二中的石墨的質量比為0.65~2.15：1。

6.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟三中，將聚四氟乙烯濃縮分散液加入步驟二所制備得到的前驅體溶液進行超聲混合分散均勻，得到混合溶液，超聲分散時間為10~20?min。

7.根據(jù)權利要求1所述的一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極的制備方法，其特征在于：所述步驟五中，所述煅燒條件為：在管式爐中以2℃/min~10℃/min升溫速率至300℃~360℃，煅燒30~50?min。

8.一種根據(jù)權利要求1-7任一項所述制備方法制得的陰極。

9.根據(jù)權利要求8所述陰極在電芬頓產h2o2中的應用。

10.根據(jù)權利要求8所述陰極在降解苯酚廢水中的應用，其特征在于，所述應用方法包括為：配制苯酚溶液，取電解液于單室反應器中，以氮摻雜碳材料為電芬頓陰極，反應在室溫下進行。

技術總結
本發(fā)明公開一種氮摻雜碳電芬頓呼吸陰極及其制備方法和應用，所述制備方法包括如下步驟：步驟一、將碳氈基底表面作清洗預處理；步驟二、將含氮的前驅體物質和石墨分散在乙醇中，得到前驅體溶液；步驟三、將聚四氟乙烯濃縮分散液加入步驟二所制備得到的前驅體溶液進行混合分散均勻，得到混合溶液；步驟四、將步驟三所制備的混合溶液均勻涂敷在步驟一預處理后的碳氈基底上，步驟五、將步驟四涂敷后的碳氈進行干燥，然后進行煅燒，再經(jīng)冷卻后得到氮摻雜碳電極。本發(fā)明所制備的陰極材料在電芬頓技術處理苯酚廢水領域具有良好的應用潛力。既節(jié)約了曝氣成本又避免了金屬離子浸出所造成的二次污染問題。

技術研發(fā)人員：魏學鋒,呂貞,苗娟,周新全,靳朝喜,呂珍龍,馮校穎
受保護的技術使用者：河南科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/17