铒掺杂氧化锰电催化电极、其制备方法及用途技术

本发明专利技术公开了一种铒掺杂氧化锰电催化电极、其制备方法及应用。所述的制备方法包括：将经过前处理的钛网于含有Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍，之后取出并进行干燥处理，直至钛网表面无明显液体，其后对钛网进行热处理，制得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。利用本发明专利技术提供的铒掺杂氧化锰电催化电极作为阳极材料进行电催化脱氮，其可以在直流电的驱动下直接将氨氮氧化成氮气，实现彻底脱氮，整个过程条件温和，不产生二次污染，降解效率高，且运行成本低、易于控制。

【技术实现步骤摘要】
铒掺杂氧化锰电催化电极、其制备方法及用途
本专利技术涉及一种电极材料，具体涉及一种铒掺杂氧化锰电催化电极、其制备方法及用途，例如利用其电催化脱氮的方法。
技术介绍
水体中过量的氨氮会降低溶解氧的浓度，产生硝酸根和亚硝酸根，导致富营养化，严重时会爆发藻类大量繁殖，给水生生物、工业生产和人们的生活产生不良影响。根据石油化工行业污水排放标准(GB31571-2015)，氨氮(NH3-N)含量不超过8mg/L。目前脱氮的方法有生物法和物理化学法。物理化学法主要有折点氯化法、化学沉淀法、物理吹脱法、气提法等，这些方法要么运行成本高，要么处理效率低，要么产生二次污染，其中生物法对温度、pH值等要求严苛，折点氯化法产生余氯和氯胺等有害衍生物。因此，需要高效率、低成本、且无二次污染的脱氮新技术。CN107235537A公开了一种用镁或镁合金脱氮的电化学方法，此法是借助生成氢氧化镁，间接使得氨氮沉降下来，并没有将氨氮转化为氮气而放出。CN106630116A、CN106563504A、CN103613206B、CN102942293A、CN102351312A均报道了阴极电化学还原硝酸根脱氮的方法，但是此法并非氧化氨氮脱氮。CN103241809A用钕掺杂的氧化锡石墨电极，在高过电位条件下实现了氨氮的降解，但是高电位就意味着电催化活性有限。因此，本领域亟待开发高电催化活性、高效率的电极材料。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种铒掺杂氧化锰电催化电极、其制备方法及用途，从而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种铒掺杂氧化锰电催化电极的制备方法，其包括：将经过前处理的钛网于含有摩尔比为1：20～1：5的Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍，之后取出并进行干燥处理，直至钛网表面无明显液体，其后将钛网于350～550℃保温1～5h，制得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。进一步地，所述的制备方法包括如下步骤：(1)对钛网进行前处理；(2)将经过前处理的钛网于含有摩尔比为1：20～1：5的Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍；(3)将钛网从浸渍液中取出并室温晾干，之后在80～135℃烘1～2h；(4)重复步骤(3)的操作两次以上，再将钛网在350～550℃保温1～5个小时，之后冷却至室温，获得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。进一步地，所述钛网的纯度>99.9wt％。进一步地，所述的前处理包括：将钛网依次用NaOH溶液、草酸溶液处理，之后置于去离子水中超声1～2min，再取出并以氮气吹干。进一步地，所述浸渍液中的Er3+、Mn2+分别来源于可溶性铒盐、可溶性锰盐。其中，所述铒盐包括硝酸铒，所述锰盐包括硝酸锰，但均不限于此。进一步地，所述浸渍液中的溶剂包括乙醇。本专利技术实施例还提供了由前述的任一种方法制备的铒掺杂氧化锰电催化电极。本专利技术实施例还提供了前述的铒掺杂氧化锰电催化电极于电催化脱氮领域的应用。本专利技术实施例还提供了一种电催化脱氮方法，其包括：将作为阳极的前述铒掺杂氧化锰电催化电极和作为阴极的纯钛网置入含有氨氮的水相体系中，并使阴极和阳极间隔设置；将所述含有氨氮的水相体系的pH值调节至9～11，并加入电解质混合均匀；在阴极和阳极之间施加1～3.5V的恒电压，从而脱除所述水相体系中的氨氮。进一步地，用于调节所述含有氨氮的水相体系的pH值的试剂包括碳酸钠-碳酸氢钠缓冲液。进一步地，所述电解质包括硫酸钠或者硫酸钾，但不限于此。进一步地，在进行电催化脱氮的过程中，所述水相体系的温度可以是25℃左右。在本专利技术的一较为具体的实施案例中，请参阅图1所示，一种铒掺杂氧化锰电催化电极的制备方法可以包括：(1)将钛网(纯度>99.9％，尺寸为长×宽×厚为30mm×30mm×1mm，菱形孔大小为2mm×4mm，当然也可以采用更大尺寸的或裁剪为更小尺寸)依次用NaOH溶液进行除油处理和草酸溶液进行刻蚀处理，去离子水超声1～2min，氮气吹干，保存在无水乙醇中备用；(2)配制浸渍液：称取质量分数约为50％或其它合适浓度的硝酸锰溶液，按Er/Mn摩尔比为5％～20％称量Er(NO3)3·6H2O等，用无水乙醇作溶剂，搅拌混合均匀；(3)将经步骤(1)处理后的钛网浸渍于(2)的浸渍液中一定时间，室温晾干后转至烘箱中在80～135℃烘1～2h,直到钛网表面无明显液体；(4)将步骤(3)重复2次后，将所获电极材料转移到马弗炉中进行热处理，在350～550℃保温1～5个小时，待冷却至室温后取出，即获得所述的铒掺杂氧化锰电催化电极。而相应的，一种利用所述铒掺杂氧化锰电催化电极进行电催化脱氮的方法可以包括：以所述铒掺杂氧化锰电催化电极为阳极，前述步骤(1)中使用的钛网为阴极，保持一定电极间距，插入含有氨氮的水相体系(例如含有氨氮的模拟废水溶液)中，用碳酸钠和碳酸氢钠缓冲液调节体系pH值为9～11，添加一定量的硫酸钠或者硫酸钾作电解质，匀速搅拌溶液，控制恒电压的输出电压值为1～3.5V(优选为2～3.5V)来实现脱氮的目标。本专利技术提供的铒掺杂氧化锰电催化电极在应用于电催化脱氮时，因其所含氧化锰中，锰的价态可以在正三价和正四价之间进行互变，从而可以实现电催化氧化。同时，由于铒的离子半径与锰的离子半径接近，因此铒容易在氧化锰材料中掺杂，两者协同作用，可以更大幅度的提高电催化效率。与现有技术相比，利用本专利技术提供的铒掺杂氧化锰电催化电极作为阳极材料进行电催化脱氮，可以在直流电的驱动下直接将氨氮氧化成氮气，实现彻底脱氮，整个过程条件温和，不产生二次污染，降解效率高，且运行成本低、易于控制。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施方案中一种铒掺杂氧化锰电催化电极的制备工艺流程图。图2a-图2b是本专利技术实施例1制得的铒掺杂氧化锰电催化电极的TEM图片。图3是本专利技术实施例1制得的铒掺杂氧化锰电催化电极对氨氮降解效率的性能测试结果。具体实施方式下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1(1)将钛网(纯度>99.9％，尺寸为长×宽×厚为30mm×30mm×1mm，菱形孔大小为2mm×4mm)依次用NaOH和草酸处理，去离子水超声1-2分钟，氮气吹干，保存在无水乙醇中备用；(2)配制浸渍液：称取质量分数为50％的硝酸锰溶液，按Er/Mn摩尔比为8/100称量Er(NO3)3·6H2O，用无水乙醇作溶剂，搅拌混合均匀；(3)将(1)中处理的钛网浸渍于(2)的浸渍液中一定时间，室温晾干后转至烘箱中在105℃下烘1-2h，直到钛网表面无明显液体；(4)将步骤(3)重复2次后，将电极转移到马弗炉中，在450℃下保温2个小时，待冷却至室温后取出，即得到铒掺杂的氧化锰电催化电极，其TEM本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铒掺杂氧化锰电催化电极的制备方法，其特征在于包括：将经过前处理的钛网于含有摩尔比为1：20～1：5的Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍，之后取出并进行干燥处理，直至钛网表面无明显液体，其后将钛网于350～550℃保温1～5h，制得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。

【技术特征摘要】
1.一种铒掺杂氧化锰电催化电极的制备方法，其特征在于包括：将经过前处理的钛网于含有摩尔比为1：20～1：5的Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍，之后取出并进行干燥处理，直至钛网表面无明显液体，其后将钛网于350～550℃保温1～5h，制得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)对钛网进行前处理；(2)将经过前处理的钛网于含有摩尔比为1：20～1：5的Er3+及Mn2+的浸渍液中浸渍；(3)将钛网从浸渍液中取出并室温晾干，之后在80～135℃烘1～2h；(4)重复步骤(3)的操作两次以上，再将钛网在350～550℃保温1～5个小时，之后冷却至室温，获得所述铒掺杂氧化锰电催化电极。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述钛网的纯度>99.9wt％。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述的前处理包括：将钛网依次用NaOH溶液、草酸溶液处理，之后置于去离子水中超声1～...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘守清，张行，马楫，朱国营，沈培新，
申请(专利权)人：苏州科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32