/碳?xì)饽z電極的制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種三維有序大孔Fe2O3/碳?xì)饽z電極(3D0M-Fe203/CA電極)的制備方法及其在光助電芬頓法降解有機(jī)廢水的應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，水污染與治理保護(hù)的重點(diǎn)關(guān)注促使了各種處理方法的發(fā)展，電芬頓(EF)氧化技術(shù)就是其中的一種。由于這個(gè)方法開(kāi)辟了一種電化學(xué)利用空氣作為持續(xù)供氧的綠色途徑，因此引起了業(yè)界的廣泛興趣。電芬頓氧化的特點(diǎn)是02在陰極經(jīng)過(guò)兩電子還原持續(xù)地產(chǎn)生H2O2,接著原位電化學(xué)產(chǎn)生的H2O2與芬頓催化劑產(chǎn)生.0H，它是分解污染物的主要氧化物種，它具有高的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)(Εθ (.0Η/Η20) = 2.80 V)，僅次于最高的氟。
[0003]電芬頓降解污染物的效率主要取決于陰極產(chǎn)生H2O2的能力以及芬頓催化劑的活性。一般地，理想的電芬頓陰極材料應(yīng)該具備以下幾個(gè)特征:(i)高比表面積和良好的吸附能力，(ii)高導(dǎo)電性和豐富的電化學(xué)活性區(qū)，(iii)高效產(chǎn)H2O2的能力。塊狀碳?xì)饽z作為多孔材料，呈現(xiàn)出三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，高的比表面積以及良好的導(dǎo)電性，在作為電芬頓陰極材料上的應(yīng)用將非常有前景。此外，許多電芬頓過(guò)程尤其是均相體系都要求在pH< 3，一定量的鐵離子和處理后的出水必須在中性。這也就是說(shuō)，酸性條件和鐵泥的產(chǎn)生很大限制了電芬頓的廣泛應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)出一種在中性PH下的新型高催化活性的異相電芬頓催化劑是具有非常重要的意義。
[0004]一般來(lái)說(shuō)，在異相電芬頓中決定催化活性的重要因素是異相催化劑的暴露的催化活性位點(diǎn)以及足夠大的比表面積，這可以通過(guò)制備納米顆粒以及具有多孔特征的顆粒的催化劑達(dá)到目的。而且，還可以通過(guò)在處理過(guò)程中引入紫外或者太陽(yáng)光照提高EF的氧化能力。赤鐵礦(a-Fe2O3),是一種環(huán)境友好的η-型半導(dǎo)體，具有相對(duì)窄的禁帶寬度(2.2eV)，能夠利用大約40%的太陽(yáng)光，在光電芬頓催化(PEF)的領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。然而，普通的Fe2O3在中性條件下PEF過(guò)程中的活性比較低。三維有序大孔材料作為異相催化劑引起了業(yè)界的廣泛興趣，它們整齊有序的大孔結(jié)構(gòu)為改善物質(zhì)傳輸和減小傳質(zhì)阻力提供了良好的通道。而且，三維大孔結(jié)構(gòu)還能通過(guò)多重散射和慢光效應(yīng)提高光的吸收效率。提高的光催化能力還可以進(jìn)一步加速Fe1VFe11的循環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步提高Fe 203的芬頓活性。
[0005]另一方面，在實(shí)際水處理過(guò)程中，如何使電芬頓過(guò)程的能量利用更為有效也是非常重要的。在EF過(guò)程中應(yīng)該保證污染物的降解效率最大化的同時(shí)能量提供最小化。因此，我們提出以CA為基底構(gòu)筑三維有序大孔Fe2O3新穎的電陰極材料，而且至今很少有報(bào)道利用3D0M-Fe203/CA電陰極在中性條件下異相光電芬頓體系處理廢水。鑒于此，3D0M_Fe203/CA電極在高效降解環(huán)境中的有機(jī)污染物具有重要的意義和價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提供一種在中性條件下具備高光電芬頓催化活性的異相電芬頓陰極材料3D0M-Fe203/CA制備方法及應(yīng)用。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
本發(fā)明提出的一種三維有序大孔Fe2O3/碳?xì)饽z電極的制備方法，其特征在于，在碳?xì)饽z(CA)基底上沉積三維有序的聚苯乙烯微球，并在聚苯乙烯微球的空隙中填入Fe2O3的前驅(qū)溶液，待溶劑揮發(fā)后干燥及煅燒得到既具有光催化效率和電芬頓催化活性高的Fe2O3/碳?xì)饽z電極，具體步驟如下:
(1)將間苯二酚、甲醛、碳酸鈉和水按照1:2:100:14.3的摩爾比混合均勻，倒入玻璃模具中，然后放入密閉容器中，靜置反應(yīng)，取出所得到酚醛樹(shù)脂氣凝膠，再用表面張力小于30mN/m的有機(jī)試劑進(jìn)行溶劑置換，時(shí)間為5_7天，每隔1_2天更換一次丙酮；將經(jīng)過(guò)有機(jī)溶劑轉(zhuǎn)換后的酚醛樹(shù)脂氣凝膠放置于室溫下進(jìn)行干燥，室溫干燥時(shí)間為5-7天，然后在管式爐中控制程序升溫，以1.5-3.50C /min的速度升溫到800-950°C并保持在該溫度下反應(yīng)3-5h，再以1.5-3.50C /min的速度冷卻至室溫，得到塊狀碳?xì)饽z；
(2)將直徑為500nm，濃度為2.5% W/V的單分散聚苯乙烯微球乳液用蒸餾水配置成濃度為1% W/V，再將步驟(I)制備得到的塊狀碳?xì)饽z浸漬到配置好的單分散聚苯乙烯微球乳液中，再將其置于30-60°C烘箱中靜置10-15h，待溶劑揮發(fā)完全后得到PS/CA ;
(3)將硝酸鐵九水合物溶于乙醇得到0.5-1 mol噸―1混合溶液，將步驟⑵得到的PS/CA浸漬到上述溶液中，室溫下靜置使乙醇揮發(fā)，然后置于管式爐中，N2氣氛下200-500°C煅燒l~4h，升溫速率0.5-2.50C /min，將PS模板去除得到三維有序大孔Fe203/CA。
[0008]本發(fā)明所述制備方法得到的三維有序大孔Fe2O3/碳?xì)饽z電極在吡蟲(chóng)啉降解中的應(yīng)用，以BDD為陽(yáng)極，三維有序大孔Fe2O3/碳?xì)饽z電極為陰極，在所述陰極上給予模擬太陽(yáng)光光照，同時(shí)施加5-15 mA.cm—2恒電流密度進(jìn)行降解。
[0009]與傳統(tǒng)的芬頓技術(shù)相比，本發(fā)明采用溶膠凝膠以及硬模板法在CA為基底表面構(gòu)筑三維有序大孔Fe2O3，獲得了具有高的光助電芬頓催化活性的電陰極材料。利用該電極可以實(shí)現(xiàn)難生物降解污染物如吡蟲(chóng)啉的高效氧化分解，具體的優(yōu)點(diǎn)如下:
(I)本發(fā)明采用塊狀CA作為基底材料，充分利用了其高比表面積和良好的吸附能力，高導(dǎo)電性和豐富的電化學(xué)活性區(qū)域以及高效的產(chǎn)H2O2能力等優(yōu)點(diǎn)，高比表面積和良好的吸附能力極其有利于氧分子在電極表面的富集，從而使H2O2原位產(chǎn)生量和污染物傳質(zhì)速率顯著增加，有效加速了電芬頓反應(yīng)的進(jìn)行；優(yōu)異的導(dǎo)電性有效加速了電極表面電子的傳遞速率，進(jìn)一步加速了陰極產(chǎn)生H2O2的產(chǎn)生。
[0010](2)得到的3D0M_Fe203/CA電極具有三維有序的大孔結(jié)構(gòu)，這為改善物質(zhì)傳輸和減小傳質(zhì)阻力提供了良好的通道，使得芬頓催化劑Fe2O3的活性位點(diǎn)充分暴露在表面，加快了催化H2O2分解生成羥基自由基速率，提高了電芬頓催化活性。
[0011 ] (3)降解過(guò)程在中性條件下進(jìn)行，相比在酸性條件下的電芬頓過(guò)程，鐵泥的產(chǎn)生大大減少，而且保證了催化劑的穩(wěn)定性，進(jìn)而也保證了處理后的出水不用再進(jìn)行PH調(diào)節(jié)直接排放到受納水體。
[0012](4)將Fe2O3的光催化性能和電芬頓活性有機(jī)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)光催化和電芬頓協(xié)同高效的降解污染物。
[0013](5)降解過(guò)程引入了太陽(yáng)光，在保證降解效率的同時(shí)極大的降低了能耗。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1為實(shí)施例1制備的3D0M_Fe203/CA電極的掃描電鏡照片；
圖2為實(shí)施例1制備3D0M-Fe203/CA電極的工藝流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0016]實(shí)施例1
3D0M-Fe203/CA電極的制備流程如圖2所示。
[0017](I)塊狀CA電極的制備:將間苯二酚、甲醛、碳酸鈉和水按照摩爾比為I '2:100:14.3混合均勻，倒入玻璃模具中，然后放入密閉容器中，靜置反應(yīng)，取出所得到酚醛樹(shù)脂氣凝膠，再用表面張力小于30mN