一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法，所述的铜-铁-碳气凝胶电极以一定比例的间苯二酚、甲醛、水、碳酸钠、乙酰丙酮铁和一水合醋酸铜在反应容器内混合均匀后，在一定温度下聚合反应一段时间后，制得湿凝胶，然后将湿凝胶干燥后，再经过程序升温与降温过程即可制得，制得的铜-铁-碳气凝胶电极依次经过CO2与N2活化后，可作为降解池中的阴极，对邻苯二甲酸二甲酯等有机污染物进行降解处理。与现有技术相比，本发明专利技术具有铜-铁-碳气凝胶电极制备过程简单、活性高，降解DMP等有机污染物的处理成本低、处理过程简便，降解灵活等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及水污染治理领域，尤其是涉及一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法。
技术介绍
自二十世纪以来，随着世界经济的迅猛发展、人口的急剧增长以及现代工业的发展导致大量的生活污水和工业废水排放入水体，特别是难降解、有毒、有害的有机污染物进入水环境，造成了严重的水体污染和生态破坏。水环境问题已成为人类社会、经济可持续发展亟需面对的重大问题。有人就预言说，在能源危机之后，人类将面临的最大危机就是水资源危机，而且这种危机将比能源危机更难解决。目前，全世界水资源紧缺，有超过80个国家、占世界总人口40％的人面临严重缺水的困境。水环境质量的恶化以及水资源的短缺，已经引起了世界各国的广泛关注。而我国的水资源状况也极不乐观，已被列入全球十二个严重缺水国家之一，人均水资源仅占世界人均量的四分之一，且水资源时空分布极不平衡。水资源稀缺、人均水资源占有量少、利用率低、污染严重已成为我国水资源保护亟需面对和解决的主要问题。近年来，针对环境中的污染物处理方法主要有生物降解法、活性碳吸附法、臭氧氧化法、光催化氧化降解等。其中，活性碳吸附法由于吸附材料不易回收再利用，而使得处理成本较高；化学氧化法中的臭氧氧化技术对臭氧的发生设备的精度及储存条件等具有较高的要求，且处理成本比较高；光催化氧化技术对反应条件有比较高的要求，从而使得该技术的处理过程相对比较复杂，处理效果也较难控制。而电芬顿法是一种可以应用到降解环境中水体污染物的新型电化学氧化技术，由于该体系的阴极和阳极都能够产生·OH而引起了学者们的广泛关注。该技术具有显著的优点：(1)反应条件温和，通常只需在常温、常压下进行，对设备的要求较低；(2)通过具有催化活性的电极反应原位产生·OH，完全矿化有机污染物；(3)无需外加化学氧化剂，从而减少了因化学试剂的加入而可能带来的二次污染问题，是一种绿色的水处理工艺。但是目前电芬顿体系中的过氧化氢产率普遍较低，电流效率不高；反应需在酸性条件(pH<3)下进行，适宜pH范围窄；由于铁离子的引入，反应过程中会产生铁泥需要二次处理。因此，开发高活性阴极材料，拓宽反应pH范围，强化电芬顿体系氧化能力是研究者们的共同目标。基于此，本专利技术通过制备新型阴极材料，从不同的角度对电芬顿过程进行改进和优化，以期提高电芬顿体系的氧化能力和催化阴极的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法，包括以下步骤：(1)将间苯二酚、甲醛、水和碳酸钠混合均匀后，得到前驱体溶液，再向前驱体溶液中加入乙酰丙酮铁和一水合醋酸铜粉末，搅拌均匀后，聚合反应生成湿凝胶；(2)将湿凝胶置于丙酮中浸渍，以置换湿凝胶中的水，待浸渍结束后，取出湿凝胶干燥后，得到结构完整的干凝胶；(3)将干凝胶置于管式炉中程序升温，在氮气气氛下，升温至930～970℃，并保持4～5h，然后降至室温，即制得结构完整的块状铜-铁-碳气凝胶电极。还包括以下步骤：(4)将步骤(3)制备得到的块状铜-铁-碳气凝胶电极置于管式炉中程序升温，在二氧化碳气氛下，升温至830～850℃，并保温1～2h，然后降至室温，即制得经CO2活化后的铜-铁-碳气凝胶电极，通过CO2活化之后，原本掺入碳气凝胶矩阵中具有芬顿活性的零价铁单质转变为活性相对较弱的三价铁，且气凝胶电极由本来的亲水特性变成了疏水特性，同时，气凝胶电极的比表面积有了明显提高；(5)将CO2活化后的铜-铁-碳气凝胶电极置于管式炉中程序升温，在氮气气氛下，升温至930～970℃，并保温1～2h，然后降至室温，即得到完全活化后的铜-铁-碳气凝胶电极，通过N2活化之后，碳气凝胶矩阵中的三价铁又转变为活性较高的零价铁，材料由本来的疏水特性转变为亲水特性，材料的比表面积有了进一步的提高。步骤(4)中二氧化碳的流速为30～40mL/min，管式炉的升温速率为4～5℃/min，降温速率与升温速率相同。步骤(5)中氮气的流速为100～150mL/min，管式炉的升温速率为4～5℃/min，降温速率与升温速率相同。步骤(1)中所述的间苯二酚、甲醛、水和碳酸钠的摩尔比为1：2：17.5：0.0008，所述的乙酰丙酮铁中的铁与前驱体溶液中的碳的质量比为1～3:100，所述的一水合醋酸铜中的铜与前驱体溶液中的碳的质量比为1～3:100。步骤(1)中所述的聚合反应的条件为依次在20～30℃恒温24～30小时，40～50℃恒温24～30小时，85～90℃恒温70～75小时。步骤(2)中湿凝胶的浸渍温度为室温，浸渍时间为72～120h；浸渍后的湿凝胶的干燥温度为室温，干燥时间为48～72h。步骤(3)中氮气流速为300～400mL/min，管式炉的升温速率为1～2℃/min，降温速率与升温速率相同。采用上述制备方法制得的铜-铁-碳气凝胶电极主要用于降解邻苯二甲酸二甲酯或亚甲基蓝等有机污染物，其应用包括以下步骤：将铜-铁-碳气凝胶电极作为电化学降解池中的阴极，其中阳极为掺硼金刚石薄膜电极或柱状石墨电极，降解池中的电解质为0.05mol/L的Na2SO4溶液，加入有机污染物，将降解池中的溶液用氧气以100～150mL/min的速率曝气15～20min，接通电源并保持恒定氧气曝气速率，对邻苯二甲酸二甲酯进行降解反应，其中，所述的电源为二电极直流电源，电流密度恒定为10～30mA/cm2。本专利技术针对现有的处理DMP等有机污染物的方法的处理成本费用昂贵、操作复杂、处理效果难以控制等不足而提供的一种具有高效处理DMP等有机污染物的铜-铁-碳气凝胶电极。制备过程中，在碳气凝胶电极中原位生长一定比例的铜、铁金属单质，并将具有芬顿活性的铜、铁金属单质均匀地分散到3D嵌入式结构的碳气凝胶矩阵中，所制备的“铜-铁-碳”气凝胶电极在多次循环使用中均显示出良好的电芬顿催化活性。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)处理成本低、处理过程简单：与常见的降解DMP等有机污染物的方法，如活性碳吸附法、化学氧化法、光催化氧化等技术相比，本专利技术制备铜-铁-碳气凝胶电极的原料来源广泛，制备的设备简单常规，处理过程中也只需要将待处理的DMP等有机物加入降解池中通电降解即可，处理过程极为简便，处理成本低廉；2)制备方法简单、活性高、稳定性好：本专利技术采用一步法构筑出块状“铜-铁-碳”气凝胶，工艺简单，制备的气凝胶电极可同时集齐铜、铁和碳材料的优点一体，使铜-铁电芬顿活性中心原位生长在碳气凝胶的三维网络结构中，既能提高电芬顿催化活性，又确保在宽pH范围内活性中心的高稳定性；3)降解处理灵活方便：针对不同亲疏水特性的有机污染物，根据块状“铜-铁-碳”气凝胶中金属含量的不同，通过控制合适的CO2活化和N2活化，一方面可以调控铜-铁-碳气凝胶中的金属种类和含量以及材料表面的亲疏水性，另一方面可以调控气凝胶的比表面积，从而调控阴极还原生成H2O2的量，从而得到电芬顿反应过程中所需H2O2的最优值，从而达到最佳的降解效果。附图说明图1为本专利技术实施例1中的铜-铁-碳气凝胶电极的透射扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1中的铜-铁-碳气凝胶电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铜‑铁‑碳气凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将间苯二酚、甲醛、水和碳酸钠混合均匀后，得到前驱体溶液，再向前驱体溶液中加入乙酰丙酮铁和一水合醋酸铜粉末，搅拌均匀后，聚合反应生成湿凝胶；(2)将湿凝胶置于丙酮中浸渍，以置换湿凝胶中的水，待浸渍结束后，取出湿凝胶干燥后，得到结构完整的干凝胶；(3)将干凝胶置于管式炉中程序升温，在氮气气氛下，升温至930～970℃，并保持4～5h，然后降至室温，即制得结构完整的块状铜‑铁‑碳气凝胶电极。

【技术特征摘要】
1.一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将间苯二酚、甲醛、水和碳酸钠混合均匀后，得到前驱体溶液，再向前驱体溶液中加入乙酰丙酮铁和一水合醋酸铜粉末，搅拌均匀后，聚合反应生成湿凝胶；(2)将湿凝胶置于丙酮中浸渍，以置换湿凝胶中的水，待浸渍结束后，取出湿凝胶干燥后，得到结构完整的干凝胶；(3)将干凝胶置于管式炉中程序升温，在氮气气氛下，升温至930～970℃，并保持4～5h，然后降至室温，即制得结构完整的块状铜-铁-碳气凝胶电极。2.根据权利要求1所述的一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：(4)将步骤(3)制备得到的块状铜-铁-碳气凝胶电极置于管式炉中程序升温，在二氧化碳气氛下，升温至830～850℃，并保温1～2h，然后降至室温，即制得经CO2活化后的铜-铁-碳气凝胶电极；(5)将CO2活化后的铜-铁-碳气凝胶电极置于管式炉中程序升温，在氮气气氛下，升温至930～970℃，并保温1～2h，然后降至室温，即得到完全活化后的铜-铁-碳气凝胶电极。3.根据权利要求2所述的一种铜-铁-碳气凝胶电极的制备方法，其特征在于，步骤(4)中二氧化碳的流速为30～40mL/min，管式炉的升温速率为4～5℃/min，降温速率与升...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵红颖，钱霖，赵国华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31