一种氮掺杂二氧化铅电极及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂二氧化铅电极及其制备方法和在处理废水中4‑CP的应用，所述的氮掺杂二氧化铅电极从内到外依次由钛基体、电沉积在钛基体上的α‑PbO2底层和电沉积在α‑PbO2底层上的氮掺杂的β‑PbO2活性层组成。本发明专利技术制备过程简单，去除废水中的4‑CP效果明显，制备的电极具造价低、活性高、寿命长等特点，在电催化处理废水中的4‑CP的应用中，具有非常广阔的市场开发前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种氮掺杂二氧化铅电极及其制备方法，以及用氮掺杂二氧化铅电极电催化处理有机废水中对氯酚(4-CP)的应用。
技术介绍
氯酚类化合物可以通过多种途径进入水环境，在生产木材防腐剂、杀菌剂、除草剂、防锈剂、农药和造纸等工业中氯酚类化合物可以作为产品或中间产物进入水体。氯酚类化合物具有很强的化学稳定性和热稳定性，因此在自然界中降解非常缓慢，危害周期很长，对水体和土壤可造成污染，特别对软体动物、鱼和哺乳类动物会造成严重危害，易通过食物链在生物体内富集，给人类健康造成了巨大的危害。氯酚类化合物有剧毒，刺激性强，易被皮肤吸收，因此对眼睛、粘膜、呼吸道及皮肤具有强烈的刺激作用。吸入后可能引起支气管的炎症、水肿、痉挛，化学性肺炎，肺水肿而致死。当废水中氯酚的质量浓度超过200mg/L时，就会对生物处理产生抑制作用，而人体长期饮用被氯酚污染的水可引起头昏、贫血等症状，甚至造成人及动物中枢神经系统、肝和肾的损害。因此治理这些含氯酚类化合物的废水是科研及生产单位责无旁贷的任务。电催化氧化处理废水中有机物具有特殊的降解能力，因其具有多功能性、高度的灵活性、易于自动化、无二次污染等特点以及处理效率高、操作简便、与环境兼容等优点，具有非常广阔的应用前景，而倍受国内外研究者的重视。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种用于处理难降解废水的二氧化铅电极的制备方法，该电极是利用电沉积的方法，将氮元素掺杂到钛基二氧化铅电极的表层中，制得的氮掺杂二氧化铅电极造价低、活性高、寿命长。本专利技术以4-CP为代表性污染物，进行电催化氧化处理去除废水中难降解有机物4-CP。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种氮掺杂二氧化铅电极，所述氮掺杂二氧化铅电极以表面经粗化处理的纯钛片为基体、通过电镀法从内到外依次在所述的基体表面电沉积α-PbO2底层电沉积及β-PbO2活性层制得。一种氮掺杂二氧化铅电极的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：(1)钛基体表面粗化处理：将纯钛片用砂纸打磨，使表面呈现出银白色金属光泽后用水冲洗；随后采用NaOH溶液浸泡，取出用水冲洗；最后用草酸溶液刻蚀，用水冲洗除去钛基体表面残存的草酸和草酸钛，得到预处理的钛基体；(2)电沉积α-PbO2底层：以步骤(1)制得的钛基体作为阳极，铂片为阴极，置于碱性电镀液中电沉积α-PbO2底层；所述碱性电镀液由PbO、NaOH溶于水组成，所述的PbO与NaOH物质的量之比为1：30～40；所述溶剂水的体积用量以PbO的物质的量计为5～10L/mol；(3)电沉积β-PbO2活性层：以步骤(2)制得的α-PbO2底层的电极为阳极，铂片为阴极，在酸性电镀液中电沉积氮掺杂的β-PbO2表面活性层；所述酸性电镀液由Pb(NO3)2、NaF、Cu(NO3)2、尿素溶于水组成，所述的Pb(NO3)2：NaF：Cu(NO3)2：尿素物质的量比为1：0.02～0.03：0.5～0.6：0.08～0.4；所述溶剂水的体积用量以Pb(NO3)2的物质的量计为1.11～2.21L/mol。步骤(1)中，所述NaOH溶液的质量分数为30％～40％，浸泡时间为1.5～3小时；所述草酸溶液的质量分数为15％～20％，刻蚀时间为1.5～3小时，刻蚀温度70～90℃。进一步，步骤(1)中，所述预处理后的钛基体存放在质量分数为0.5～1.5％的草酸中保存备用。再进一步，步骤(1)中，第一次水洗和第二次水洗采用去离子水，第三次水洗采用蒸馏水。步骤(2)中，所述电沉积α-PbO2底层过程中恒电流密度为6～15mA/cm2，电极间距为1～2cm，电镀时间为1～2小时，电镀液温度为30～45℃。进一步，步骤(3)中，所述电沉积β-PbO2活性层过程中电极间距为2～4cm，电镀时间为2～3小时，电镀液温度为50～95℃。进一步，本专利技术还涉及一种氮掺杂二氧化铅电极作为电催化降解废水中4-CP的应用。所述应用中，其实验装置图如1所示，所述电催化降解废水中4-CP装置由电解池1与电化学工作站2串联组成，所述电解池包含存放阳极液1-3及阳极1-1的阳极池a、存放阴极液1-5及阴极1-2的阴极池b、阳离子交换膜1-4，所述的阳极1-1上方设有取样口1-6。所述的阳极1-1和阴极1-2底部设有连通管道，所述连通管道设阳离子交换膜将存放于阳极的阳极液与存放于阴极的阴极液分隔。通常，所述阳极1-1选为制备所得的氮掺杂二氧化铅电极，所述阴极1-2为Pt电极，所述阳极液1-3为硫酸钠与4-CP的混合液，所述阴极液1-5为硫酸钠溶液。本专利技术的有益效果主要体现在：氮掺杂二氧化铅电极具有价格低廉、析氧电位高、催化活性强、使用寿命长等特点。利用氮掺杂二氧化铅电极通过电化学氧化方法可实现水中有机污染物的有效去除，操作简单，管理方便，具有广泛的社会和经济效益。附图说明图1为实施例所用的氮掺杂二氧化铅电极电催化处理有机废水中4-CP的实验装置图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行进一步描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此：实施例1(1)氮掺杂二氧化铅电极制备方法：a、钛基体表面粗化处理：将厚度为1mm的，尺寸为6cm2(2cm×3cm)的纯钛片依次用800#和1200#砂纸打磨，使得表面呈现出银白色金属光泽后用去离子水冲洗；采用质量分数为40％的NaOH溶液浸泡3h，取出用去离子水冲洗；最后用质量分数为20％的草酸溶液在90℃条件下刻蚀3h，用蒸馏水冲洗除去钛基体表面残存的草酸和草酸钛，得到预处理的钛基体；预处理后的钛基体，放在质量分数为1.5％的草酸中保存备用；b、碱性电镀α-PbO2底层：以步骤a制得的电极为阳极，等面积的铂片(2cm×2cm)为阴极，置于碱性电镀液中电沉积α-PbO2底层，电极间距为2cm，控制镀液温度为45℃，电流密度为15mA/cm2，电镀时间为2h，制得α-PbO2底层的电极。所述碱性电镀液按如下组成配制：PbO为0.1mol/L，NaOH为4.0mol/L，溶剂为水；所述溶剂水的体积用量以PbO的物质的量计为10L/mol。具体配制时取PbO22.32g和NaOH160g依次溶于1L水中，每次电镀时取90mL使用；c、酸性电镀氮掺杂β-PbO2活性层：以步骤b中制得的镀有α-PbO2底层的电极为阳极，等面积的铂片为阴极，在酸性电镀液中电沉积氮掺杂的β-PbO2表面活性层，电极间距为4cm，控制镀液温度为95℃，恒电压3V和脉冲电压3V(20s)，开路电位0.85V(20s)，电镀时间为3h，制备得到氮掺杂的二氧化铅电极。所述酸性电镀液按如下组成配制：Pb(NO3)2为0.453mol/L，NaF为0.0136mol/L，Cu(NO3)2为0.272mol/L，尿素为0.100mol/L，溶剂为水，所述溶剂水的体积用量以Pb(NO3)2的物质的量计为2.21L/mol。具体配制时取Pb(NO3)2150g，NaF0.571g，Cu(NO3)251.02g和尿素6.006g依次溶于1L水中，每次电镀时取125mL使用。(2)以上述步骤(1)制备的电极为阳极，铂电极为阴极，电极面积均为6cm2(2cm×3cm)，支持电解质为0.5mol/L的硫酸钠溶液，恒电流密度为17mA/c本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂二氧化铅电极，其特征在于：所述氮掺杂二氧化铅电极以表面经粗化处理的纯钛片为基体、通过电镀法从内到外依次在所述的基体表面电沉积α‑PbO2底层及电沉积β‑PbO2活性层制得。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂二氧化铅电极，其特征在于：所述氮掺杂二氧化铅电极以表面经粗化处理的纯钛片为基体、通过电镀法从内到外依次在所述的基体表面电沉积α-PbO2底层及电沉积β-PbO2活性层制得。2.一种氮掺杂二氧化铅电极的制备方法，其特征在于所述的制备方法包括以下步骤：(1)钛基体表面粗化处理：将纯钛片用砂纸打磨，使表面呈现出银白色金属光泽后用水冲洗；随后采用NaOH溶液浸泡，取出用水冲洗；最后用草酸溶液刻蚀，用水冲洗除去钛基体表面残存的草酸和草酸钛，得到预处理的钛基体；(2)电沉积α-PbO2底层：以步骤(1)制得的钛基体作为阳极，铂片为阴极，置于碱性电镀液中电沉积α-PbO2底层；所述碱性电镀液由PbO、NaOH溶于水组成，所述的PbO与NaOH物质的量之比为1：30～40；所述溶剂水的体积用量以PbO的物质的量计为5～10L/mol；(3)电沉积β-PbO2活性层：以步骤(2)制得的α-PbO2底层的电极为阳极，铂片为阴极，在酸性电镀液中电沉积氮掺杂的β-PbO2表面活性层；所述酸性电镀液由Pb(NO3)2、NaF、Cu(NO3)2、尿素溶于水组成，所述的Pb(NO3)2：NaF：Cu(NO3)2：尿素物质的量比为1：0...

【专利技术属性】
技术研发人员：何志桥，余岩，宋爽，张博文，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33