一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用，属于电化学反应器技术领域。包括负极板为钛网片、正极板为石墨板的反应器本体，并在二维电极的基础上，添加一种TiO2/石英砂‑铁屑复合粒子作为第三电极，构成一种新型光电催化三维电极反应体系。本发明专利技术，提出一种比表面积大、空间利用率高、催化性能强、可应用于光电催化的三维电极反应体系及其制备方法，不仅提高了负载型催化剂的光催化活性，还解决了实际应用中TiO2粉末较难回收的问题，同时制作成本低，原材料来源广泛，具有明显的经济效益。

A new photoelectrochemical three-dimensional electrode system and its preparation methods and Applications

The invention relates to a novel photoelectrocatalysis three-dimensional electrode system and its preparation method and application, which belongs to the technical field of electrochemical reactor. Including the negative plate of titanium mesh for the positive plate for the reactor body, graphite plate, and on the basis of two-dimensional electrode, adding a TiO2/ quartz sand iron composite particles as a third electrode, a novel photoelectric catalytic reaction system of three-dimensional electrode. The invention provides a large surface area, high space utilization rate, the catalytic performance is strong, can be applied to three-dimensional photoelectrocatalytic electrode reaction system and its preparation method, not only improves the photocatalytic activity of the supported catalyst, but also solve the practical application of TiO2 powder is difficult to recover the problem, at the same time, the production cost low, wide source of raw materials, has obvious economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法和应用
本专利技术属于电化学反应器领域，具体涉及一种新型光电催化三维电极体系及其制备方法及在高盐染料废水污染治理中的应用。
技术介绍
三维电极是一种新型的电化学反应器，也叫粒子电极，是在传统的二维电解槽的平板电极间填充粒状或碎屑状，且具有导电性或处于流动状态的工作电极材料，在电场的作用下通过静电感应或电荷传导使填充的粒子表面带电，成为第三极，并在粒子电极表面发生电化学反应。与传统的二维电极相比，三维电极在电解槽内增加了无数的微电极，能够增大电解槽的面体比，缩短了反应物的迁移距离、增大物质传质速度，提高电流效率和处理效果。粒子电极是三维电极反应器系统的关键组成部分，也是提高反应器处理效率的关键。作为电极材料，填充粒子应具有良好的导电性、耐腐蚀性及电催化性能。随着三维电极研究的日益深入，开始将三维电极电化学氧化技术与其他方法组合起来，形成联合氧化废水处理技术，以达到协同增强的效果。1976年，J.H.cary报道了TiO2水体系在紫外光照射下可使水中难降解有机污染物降解，揭开了TiO2光催化氧化技术在环境保护中应用的序幕。TiO2光催化剂以其安全无毒、稳定性好、氧化能力强、适用范围广等优点，为氧化水中有机污染物提供了一种有效的方法，它作为一种新兴高级氧化技术，以其无二次污染，方法简便等众多优点引起了国内外学者的持续关注，然而TiO2的光生载流子复合率较高，严重影响了光催化技术的广泛应用。
技术实现思路
针对TiO2光催化剂在具体应用中的不足和缺点，本专利技术以石英砂作为载体，采用溶胶-凝胶法制备TiO2/石英砂，使石英砂载体发挥吸附作用，与TiO2协同对反应物进行富集，又使负载型催化剂具有更高的光催化活性，同时还解决了TiO2粉末较难回收的问题。本专利技术采用的技术方案是：一种新型光电催化三维电极体系，将石墨板与正极连接作为正极板、钛网片与负极连接作为负极板，将复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系；所述的复合粒子电极是TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极。上述的一种新型光电催化三维电极体系，钛网片与石墨板面积相同，钛网片与石墨板之间的间距为4cm。上述的一种新型光电催化三维电极体系，所述的TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极的制备方法包括如下步骤：1)将钛酸丁酯缓慢滴入无水乙醇和乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液；2)将乙酸缓慢滴入无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液；3)在磁力搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，搅拌至形成透明溶胶；4)将石英砂放入培养皿中，将获得的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥，取出；重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，将产物在450℃下煅烧2-3h，冷却，研磨，过16-20目的筛网，取筛下物，得TiO2/石英砂；5)将铁屑依次用冰醋酸、蒸馏水冲洗，烘干，与TiO2/石英砂混合，得TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极。上述的一种新型光电催化三维电极体系，步骤3)中，搅拌速度为200-300r/min。上述的一种新型光电催化三维电极体系，步骤5)中，按质量比，TiO2/石英砂:铁屑＝2:3。一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，包括如下步骤：1)钛网片的预处理：将钛网片浸泡到Na2CO3溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水清洗，再放入冰乙酸溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水冲洗，烘干，密封保存备用；2)取钛酸丁酯和氯化锡，加入异丙醇和正丁醇，混合后不断搅拌，再加入十六烷基三甲基溴化铵和硝酸，搅拌，制成涂液，将涂液涂覆到预处理的钛网片上，100℃下干燥，重复涂覆3次后，500℃煅烧2h；3)将石墨板与恒电位仪的正极连接作为正极板、钛网片与恒电位仪的负极连接作为负极板，钛网片与石墨板之间的间距为4cm，将TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极不间断地置于石墨板和钛网片之间，构成新型光电催化三维电极体系。上述的一种新型光电催化三维电极体系的制备方法，所述的Na2CO3溶液的质量百分浓度为6％；所述的冰乙酸溶液的质量百分浓度为15％。上述的一种新型光电催化三维电极体系在降解废水中有机污染物中的应用。方法如下：将含有有机污染物的废水置于设有光电催化三维电极体系的容器中，接通电源，在20W紫外灯下，进行光电催化70-90min。本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的新型光电催化三维电极反应体系，比表面积大、空间利用率高、催化性能强、不仅提高了负载型催化剂的光催化活性，还解决了实际应用中TiO2粉末较难回收的问题，同时制作成本低，原材料来源广泛，具有明显的经济效益。附图说明图1是新型光电催化三维电极体系的结构示意图。图中：1是石墨板；2是钛网片；3是TiO2/石英砂；4是铁屑。图2是不同电极间距对模拟染料废水的降解效果。图3是不同粒子配比对模拟染料废水的降解效果。具体实施方式下面通过具体实施例对本专利技术做进一步说明，但本专利技术并不局限于此。由于实验过程中采用0.8mg/L的亚甲基蓝溶液作为模拟染料废水、100mL的烧杯作为反应容器，实际应用中各地废水处理反应池不同，反应体系的相关参数也会产生相应变化，因此在不违背本专利技术的实质和所附权利要求范围的前提下，可对本专利技术中关键参数做适当调整。实施例1一种新型光电催化三维电极体系(一)制备方法如下：1、铁屑预处理：将铁屑用冰乙酸洗2-3次，再用蒸馏水洗净，烘干。2、石英砂预处理：筛选粒径大小为16-20目的石英砂，用蒸馏水洗2-3次，抽滤，于100℃下干燥1h，密封，备用。3、制备TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极：3.1)将5mL钛酸丁酯缓慢滴入10mL无水乙醇和0.6mL乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液。3.2)将0.6mL乙酸缓慢滴入10mL无水乙醇和0.8mL蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液。3.3)在磁力搅拌器，200-300r/min高速搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，均匀搅拌1h，至形成透明溶胶。3.4)取0.4g预处理的石英砂放入培养皿中，将步骤3.3)制备好的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥2h，取出，重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，负载3层后，将产物在450℃下煅烧2h，冷却，研磨，再用20目的筛网筛分，取筛下物，得TiO2/石英砂。3.5)按质量比，TiO2/石英砂:铁屑＝2:3，将预处理的铁屑与TiO2/石英砂混合，得TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极。4、制备钛网片：4.1)预处理：将钛网切割成面积(30mm×60mm)的钛网片，浸泡到质量百分浓度为6％的Na2CO3溶液中，超声清洗35min后，取出，用蒸馏水清洗，再放入15％的冰乙酸溶液中，超声清洗35min后，用蒸馏水冲洗干净，烘干，密封保存备用。4.2)取5mL钛酸丁酯和0.6g氯化锡，加入30mL异丙醇和20mL正丁醇，混合后不断搅拌，再加入0.02g十六烷基三甲基溴化铵，1mL浓度65％的浓硝酸，搅拌90min，制备成涂液，将涂液涂覆到经过预处理的钛网片上，100℃下干燥20min，重复该过程，涂覆3次，500℃煅烧2h，得到钛网片。5、制备光电催化三维电极体系如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：将石墨板与正极连接作为正极板、钛网片与负极连接作为负极板，将复合粒子电极不间断地置于钛网片与石墨板之间，构成新型光电催化三维电极体系；所述的复合粒子电极是TiO2/石英砂‑铁屑复合粒子电极。

【技术特征摘要】
1.一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：将石墨板与正极连接作为正极板、钛网片与负极连接作为负极板，将复合粒子电极不间断地置于钛网片与石墨板之间，构成新型光电催化三维电极体系；所述的复合粒子电极是TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极。2.根据权利要求1所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：钛网片与石墨板面积相同，钛网片与石墨板之间的间距为4cm。3.根据权利要求1所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：所述的TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极的制备方法包括如下步骤：1)将钛酸丁酯缓慢滴入无水乙醇和乙酸的混合溶液中，磁力搅拌15-20min，得A液；2)将乙酸缓慢滴入无水乙醇和蒸馏水的混合溶液中，磁力搅拌均匀，得B液；3)在磁力搅拌下，将B液缓慢倒入A液中，搅拌至形成透明溶胶；4)将石英砂放入培养皿中，将获得的溶胶倒入培养皿中，使石英砂完全浸泡，自然凝化12-15h，然后在120℃下干燥，取出；重复加入溶胶浸泡、自然凝化和干燥2次，将产物在450℃下煅烧2-3h，冷却，研磨，过16-20目的筛网，取筛下物，得TiO2/石英砂；5)将铁屑依次用冰醋酸、蒸馏水冲洗，烘干，与TiO2/石英砂混合，得TiO2/石英砂-铁屑复合粒子电极。4.根据权利要求3所述的一种新型光电催化三维电极体系，其特征在于：步骤3)中，搅拌速度为200-300r/mi...

【专利技术属性】
技术研发人员：包红旭，李良玉，苏会东，张欣，张浩，杨华，苏弘治，张馨月，张壮，李丽丹，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21