一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用，该电极包括导电骨架和包裹在导电骨架外侧的气体扩散层；所述的气体扩散层包括组分四氧化三铁和活性炭。本发明专利技术还提供气体扩散电极的制备方法和应用。本发明专利技术将催化剂固定在气体电极表面，实现了过氧化氢在电极表面原位的生成与催化分解，减少了传质过程，提高了去除有机废水的效率。本发明专利技术制备的掺杂四氧化三铁的气体扩散电极，对于pH的适应范围扩大，可以在pH接近中性的条件下依然有着良好的处理效果，改善了传统Fenton对pH敏感的不足，避免了处理前调节pH的繁琐过程。

Gas diffusion electrode doped with iron oxide @ activated carbon and preparation method and application thereof

The present invention relates to a gas diffusion electrode which is doped with iron oxide and activated carbon, and its preparation method and application. The electrode includes a conductive skeleton and a gas diffusion layer wrapped around the outside of the conductive framework, and the gas diffusion layer includes a component of iron oxide and activated carbon. The invention also provides a preparation method and application of the gas diffusion electrode. The catalyst is immobilized on the surface of the gas electrode to realize the formation and catalytic decomposition of hydrogen peroxide in situ on the surface of the electrode, reducing the mass transfer process and improving the efficiency of removing organic wastewater. The gas diffusion electrode doped with iron oxide prepared by the invention has a good treatment effect on the condition that the pH is close to neutral, which can improve the deficiency of the traditional Fenton sensitive to the pH and avoid the complicated process of adjusting the pH before the treatment.

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用，属于电化学

技术介绍
近年来随着社会经济的发展，大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，水污染现象日趋严重。值得人们关注的是污水的成分愈加复杂。例如制药等工业过程排放的水。这类的具有毒性高、浓度大且难生物降解的特点，治理难度大。采用传统水处理工艺中的物理方法和生物方法已经不能满足对出水水质的要求。所以，近年来水处理技术逐渐向化学方法转移，即通过化学反应使污染物降解而实现去除的目的。电-Fenton是以传统的水处理技术中Fenton氧化法为基础发展而来的一种新技术，其具有适用范围广、对有机物氧化彻底、不产生二次污染等特点，显示出了比较广泛的应用前景，因而逐渐成为了水处理领域的研究热点之一。尽管在处理高浓度，难降解的有机废水上，电-Fenton的优势明显。但是其仍存在一些不足，制约其应用。首先在目前大部分体系中，采用石墨等碳电极材料时，过氧化氢产量普遍较低,且电流效率不高。其次反应中往往需要外加亚铁离子作为催化剂，而亚铁离子对于溶液pH的变化很敏感。随着反应进行，溶液中pH升高时铁离子易形成络合物，造成损失严重。最后催化剂在溶液中以离子态存在，反应后难以去除，增加成本。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用，该电极实现了将催化剂以固体形式固定在电极的表面，避免了外加催化剂以及后续分离催化剂的步骤，扩大的电极工作环境的pH范围。本专利技术的技术方案如下：一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极，该电极包括导电骨架和包裹在导电骨架外侧的气体扩散层；所述的气体扩散层包括组分四氧化三铁和活性炭。气体扩散层中，四氧化三铁作为催化剂，活性炭作为四氧化三铁的载体，即：四氧化三铁负载在活性炭表面。根据本专利技术，优选的，所述的气体扩散层还包括组分乙炔黑；进一步优选的，所述的气体扩散层还包括组分石墨粉。所述的气体扩散层通过粘结剂将各组分粘合在一起，优选的粘结剂为聚四氟乙烯乳液。加入乙炔黑可提高气体扩散层的导电性能。根据本专利技术，优选的，所述的气体扩散层均匀分布有孔。在气体扩散层中设置孔可提高气体扩散层的透气性能，减小气体扩散的困难，对于改善电极的性能具有重要的作用。根据本专利技术，优选的，所述的气体扩散层中四氧化三铁和活性炭的总质量含量为5-40％，进一步优选15-25％，最优选20％。根据本专利技术，优选的，所述的导电骨架为金属网，进一步优选不锈钢网；最优选的，不锈钢网的孔目数为40～60目。根据本专利技术，优选的，所述的气体扩散电极为圆柱状；进一步优选的，圆柱高为0.6cm，圆柱半径为2.5cm。根据本专利技术，上述掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极的制备方法，包括步骤如下：(1)催化原料的制备：将FeCl3·6H2O与FeSO4·7H2O溶解于水中，分散均匀；然后加入活性炭，搅拌混合均匀，得混合物料；将混合物料加热至50-70℃，调pH值至9-10，恒温搅拌反应1-3小时；反应结束后抽滤，并依次用水和无水乙醇洗涤滤饼至洗脱液为中性后，将滤饼真空干燥，研磨，即得催化原料；(2)气体扩散层原料的制备：将催化原料、乙炔黑、石墨粉和硫酸钠混合于无水乙醇中，混合均匀后加入聚四氟乙烯乳液，超声分散均匀，得到混合乳液；将混合乳液于70-80℃下不断搅拌，使得无水乙醇不断挥发，得到膏状物；将膏状物烘干，即得气体扩散层原料；(3)气体扩散电极的制备：将气体扩散层原料制成薄膜，用薄膜包裹导电骨架，然后压制得电极材料；将电极材料用50-70℃的去离子水浸泡2-5小时，然后用丙酮溶液浸泡20-30小时，最后再用去离子水冲洗1-3次，即得掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极。根据本专利技术的制备方法，优选的，步骤(1)中FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O和活性炭的质量比为(1-4)：(1.5-5)：5；进一步优选的，FeCl3·6H2O、FeSO4·7H2O和活性炭的质量比为1：1.5：5；优选的，调节pH值所用的试剂为氨水；优选的，真空干燥温度为50-70℃。根据本专利技术的制备方法，优选的，步骤(2)中催化原料、乙炔黑、石墨粉和硫酸钠的质量比为2：(0.3-1)：(2-5)：(0.2-1)；进一步优选的，催化原料、乙炔黑、石墨粉和硫酸钠的质量比为2：0.5：2.5：0.5；优选的，所述的聚四氟乙烯乳液的质量浓度为60％，所述的石墨粉与聚四氟乙烯乳液的质量比为2：1。当聚四氟乙烯含量较低时，电极的导电性能会较好，气体很容易在电极表面扩散，但是此时电极的粘结性能较差，电极的活性三相界面太小；聚四氟乙烯含量较高时，气体在电极表面扩散能力降低。步骤(2)中硫酸钠作为造孔剂，加入造孔剂可以调整孔分布，扩大孔体积，提高扩散层的透气性能，减小了气体扩散困难，最终对于改善电极的性能具有重要的作用。造孔剂加入量过少时，孔隙较小，不利于气体扩散；加入量过多会影响电极的稳定性。制备膏状物时温度设定为70-80℃，此温度下有利于酒精挥发，同时避免较高温度对混合性能的影响。根据本专利技术的制备方法，优选的，步骤(3)中所述薄膜的厚度为0.5-2mm，所述压制的压强为10-20MPa，更优选15MPa；压制电极时，压力设定为10-20MPa，当压力过小，各部分不能很好的结合，容易造成膜层的脱落和漏液，影响电极的使用寿命；如果施加的压力过大，膜层内部的孔隙结构又会因为受到过分挤压而遭到破坏，影响气液两相的扩散和三相界面的形成，进而影响电极的催化性能；优选的，所述的导电骨架为40～60目的不锈钢网。此设计的好处在于提高电极的稳定性。不锈钢网目数较大时，其比较柔软，电极不稳定。目数较小时，孔隙较大，不利于压制电极。根据本专利技术，所述掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极，作为电极应用于电化学处理含有四环素的污水。根据本专利技术，四氧化三铁作为催化剂，活性炭作为四氧化三铁的载体，四氧化三铁和活性炭的加入量为5-40％(电极中Fe3O4@AC质量分数＝Fe3O4@AC质量/(电极气体扩散层总质量)×100％)。使用本专利技术电极进行电化学处理污染废水时，电极表面可原位生成过氧化氢。没有掺杂四氧化三铁和活性炭时，相当于用过氧化氢直接氧化污染物，污染物的去除效果一般。随着掺杂量增加，处理效果越来越好。这主要是因为掺入的四氧化三铁和活性炭虽然有利于过氧化氢产生羟基自由基，但是当掺杂量过大时，会改变气体扩散电极组成，降低气体扩散电极孔隙，使得过氧化氢产生量减少，从而使得污染物的去除效率降低。本专利技术掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极以四氧化三铁作为催化剂，活性炭作为催化剂的载体，优选不锈钢网作为导电骨架，使用聚四氟乙烯作为粘结剂制备成固定有催化剂的气体扩散电极。该电极实现了将催化剂以固体形式固定在电极的表面，避免了外加催化剂以及后续分离催化剂的步骤，扩大的电极工作环境的pH范围。此外此设计使得在电极表面原位生成的过氧化氢能够原位催化分解，产生大量的羟基自由基，对含有污染物尤其是四环素的废水有较高的处理效果。本专利技术的有益效果在于：1.本专利技术对气体扩散电极进行了改进创新，将催化剂四氧化三铁附着在气体扩散电极的表面，取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极，其特征在于，该电极包括导电骨架和包裹在导电骨架外侧的气体扩散层；所述的气体扩散层包括组分四氧化三铁和活性炭；气体扩散层还包括组分乙炔黑和石墨粉；所述的气体扩散层中四氧化三铁和活性炭的总质量含量为5‑40%。

【技术特征摘要】
1.一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极，其特征在于，该电极包括导电骨架和包裹在导电骨架外侧的气体扩散层；所述的气体扩散层包括组分四氧化三铁和活性炭；气体扩散层还包括组分乙炔黑和石墨粉；所述的气体扩散层中四氧化三铁和活性炭的总质量含量为5-40%。2.根据权利要求1所述的所述的气体扩散电极，其特征在于，所述的气体扩散层均匀分布有孔。3.根据权利要求1所述的气体扩散电极，其特征在于，所述的导电骨架为金属网。4.一种权利要求1-3任一项所述的掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极的制备方法，包括步骤如下：（1）催化原料的制备：将FeCl3•6H2O与FeSO4•7H2O溶解于水中，分散均匀；然后加入活性炭，搅拌混合均匀，得混合物料；将混合物料加热至50-70℃，调pH值至9-10，恒温搅拌反应1-3小时；反应结束后抽滤，并依次用水和无水乙醇洗涤滤饼至洗脱液为中性后，将滤饼真空干燥，研磨，即得催化原料；（2）气体扩散层原料的制备：将催化原料、乙炔黑、石墨粉和硫酸钠混合于无水乙醇中，混合均匀后加入聚四氟乙烯乳液，超声分散均匀，得到混合乳液；将混合乳液...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明明，张岩，刘瑞婷，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37