一种高稳定性类电芬顿电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于水处理技术领域，具体涉及一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法。所述方法采用光敏树脂将催化材料固定于基底电极表面；包括：(1)将基底电极的表面分成若干个催化区域和至少一个固定区域，每个催化区域和至少一个固定区域相邻；在所述固定区域预涂光敏树脂，在所述催化区域涂催化材料，光敏树脂在毛细作用下填充到催化材料的孔隙中，催化区域的一面和基底电极接触，另一面裸露；(2)紫外灯照射，光敏树脂初步固化，压实；(3)紫外灯照射，光敏树脂完全固化，催化材料被固定在基底电极上，得到高稳定性且电催化性能良好的催化材料修饰电极。本发明专利技术所述方法制备得到的电极具有机械强度高，耐腐蚀性好，电化学活性好。

A highly stable electro-Fenton-like electrode and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种高稳定性类电芬顿电极及其制备方法
本专利技术属于水处理技领域，具体涉及一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，该方法用于催化类电芬顿反应的复合电极的制备。
技术介绍
高级氧化技术以生成羟基自由基为目的，可实现难降解有机物的矿化降解，具有高效、环保、矿化程度高等优点，多用于处理工业水中的难降解有机污染物。目前，高级氧化技术与非均相电催化结合，发展出了非均相类电芬顿技术。该技术所使用的电催化材料需要附着在基底电极表面制成修饰电极来发挥它的电催化作用，提高了电催化效率，且省略催化剂的分离步骤，同时有效避免了铁泥的生成，能够明显降低高级氧化技术的成本。但是目前仍缺少可工业化的方法和材料能将催化材料牢固地固定到电极表面，并在含有腐蚀性物质的工业废水中长期安全稳定运行。之前有研究用萘酚胶或聚四氟乙烯等有机粘合剂来固定催化材料，制备出的电极虽具有较高的电化学活性，但在废水处理中有机粘合剂的粘性会逐渐降低，因此用这些方法制备出的电极在工业水处理中难以长期使用。采用固定材料将电催化材料修饰到电极的过程同样具有挑战性。当催化剂被固定材料包裹时，一方面，催化材料不能与基地电极紧密接触，无法实现良好的电荷传输；另一方面，催化材料不能与反应物接触，无法实现传质，造成电催化材料活性减弱甚至活性完全消失。因此，固定方法也是实现电化学修饰电催化活性的关键步骤。
技术实现思路
针对现有技术缺少制备高稳定性类电芬顿电极的方法，且现有技术得到的修饰电极机械强度、耐腐蚀性差，电催化材料活性降低本的缺点，本专利技术提供一种高稳定性类电芬顿电极及其制备方法，利用3D打印的原理，采用光敏树脂来固定催化材料。以催化材料选用TiO2/石墨复合材料为例，采用本专利技术所述方法能够制备获得高稳定性、耐腐蚀性优良，且兼具良好电化学活性的TiO2/石墨复合材料修饰电极。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，采用光敏树脂将催化材料固定于基底电极表面；所述方法包括：(1)将基底电极的表面分成若干个催化区域和至少一个固定区域，每个催化区域和至少一个固定区域相邻；在所述固定区域预涂光敏树脂，在所述催化区域撒上颗粒状催化材料，光敏树脂在毛细作用下填充到催化材料的孔隙中，催化材料的一面和基底电极接触，另一面裸露；(2)紫外灯照射，光敏树脂初步固化，压实；(3)紫外灯照射，光敏树脂完全固化，催化材料被固定在基底电极上，得到高稳定性且电催化性能良好的催化材料修饰电极。进一步地，每一个催化区域沿固定区域边界至催化区域中心的纵向深度小于3mm；所有催化区域的总面积和所有固定区域总面积之比为(1.5～8)：1。进一步地，步骤(2)中，紫外灯的功率在2-4kW/m2，照射时间0.5-1.5小时，压实采用的压力为1-2kPa；步骤(3)中，紫外灯的功率在2-4kW/m2，照射时间2-3小时。进一步地，在所述固定区域预涂光敏树脂的量为0.1-0.3L/m2，在所述催化区域涂催化材料的量为0.05-0.15kg/m2。进一步地，所述催化区域和所述固定区域为间隔设置的条带状；每一个条带状固定区域的宽度为3-10mm；每个条带状催化区域的宽度等于条带状催化区域两侧两个相邻固定区域的间隔宽度，为2-6mm。进一步地，所述光敏树脂采用LCD通用刚性光敏树脂、或DLP型光敏树脂；所述催化材料为TiO2/石墨复合材料或其他需要固定于电极表面用于非均相高级氧化的电催化材料。进一步地，在步骤(1)中，在预涂光敏树脂时，采用移液枪将光敏树脂均匀地涂抹在基底电极的固定区域；将催化材料撒在催化区域时，催化材料和固定区域光敏树脂的边沿接触。进一步地，所述催化材料为固态颗粒装，粒径小于50μm。一种高稳定性类电芬顿电极，包括：基底电极、催化材料、光敏树脂；所述基底电极表面包括若干个催化区域和至少一个固定区域，每个催化区域和至少一个固定区域相邻；制备高稳定性类电芬顿电极时，首先在所述固定区域预涂光敏树脂，在所述催化区域撒上颗粒状的催化材料，光敏树脂在毛细作用下填充到催化材料的孔隙中，催化材料的一面和基底电极接触，另一面裸露；通过紫外灯照射固化光敏树脂，催化材料被光敏树脂固定在基底电极上，获得所述高稳定性类电芬顿电极。进一步地，在3mol/L的强酸强碱溶液中放置3h，所述高稳定性类电芬顿电极的表面光敏树脂和催化材料脱落或开裂面积小于修饰总面积的5％，而其余部分催化材料和光敏树脂仍较牢固地附着在电极表面。本专利技术采用光敏树脂作为固定催化材料的原因为：光敏树脂一般为液态，由聚合物单体与预聚体组成，其中加有光(紫外线)引发剂，在一定波长的紫外光照射下会发生聚合反应从而完成固化，此固化过程常用于3D打印机制作模型材料。固化后的光敏树脂的强度、稳定性优势明显，因此常用于制作高强度、耐高温、防水的材料。经过测试发现，光敏树脂相比于有机粘合剂其化学性质更稳定，机械强度更高，更耐储存，耐腐蚀性也更好，而且光敏树脂无毒无害，便于存储，是固定非均相类芬顿技术的催化材料的理想材料，经过测试光敏树脂中LCD-N型光敏树脂的性能最佳。本专利技术的有益技术效果：1)本专利技术提供的制备电化学修饰电极的方法，得到的电极具有机械强度高，耐腐蚀性好，电化学活性好，制备方法具有操作简单、可控性强，易于实现工业化的特点。2)采用本专利技术所述方法制备获得的催化电芬顿反应的TiO2-石墨复合电极性质稳定，优化了传统电芬顿体系中需要投加均相Fe2+/Fe3+催化剂、pH调节剂以及会生成铁泥等诸多问题。相较于传统电芬顿体系，所需设备、条件相对简单，操作方便，本专利技术需要控制和调整的主要参数是电压、电流等易于程序自动控制的内容，优点明显。3)采用本专利技术所述方法制备获得的催化电芬顿反应的TiO2-石墨复合电极拥有较好的耐酸碱腐蚀性，在3mol/L的强酸强碱溶液中放置3h其表面光敏树脂和催化材料脱落或开裂面积小于总修饰面积的5％，而其余大部分催化材料和光敏树脂仍较牢固地附着在电极表面。实际上，类电芬顿反应体系不会在如此的强酸强碱环境中进行，因此，此电极的耐腐蚀性足以支撑应用于工业水处理的环境要求。4)本专利技术所述方法用于催化类电芬顿反应的TiO2-石墨复合电极制作成本低廉，并且不会对环境造成污染。附图说明图1为本专利技术实施例中光敏树脂及催化材料涂抹方式示意图。图2为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰的石墨电极在有氧和无氧条件下的循环伏安曲线对比。图3为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰电极的表面体显微镜放大照片。图4为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰电极在3mol/L硫酸溶液中放置3h后的表面体显微镜放大照片。图5为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰电极在3mol/L氢氧化钠溶液中放置3h后的表面体显微镜放大照片。图6为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰电极产生羟基自由基的浓度与反应时间的关系图。图7为本专利技术实施例中TiO2-石墨复合材料修饰电极降解盐酸四环素实验中盐酸四环素溶液的吸光度与反应时间的关系图，以同等条件下普通石墨电极降解盐酸四环素溶液的吸光度变化作为对比。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，采用光敏树脂将催化材料固定于基底电极表面；所述方法包括：(1)将基底电极的表面分成若干个催化区域和至少一个固定区域，每个催化区域和至少一个固定区域相邻；在所述固定区域预涂光敏树脂，在所述催化区域撒上颗粒状催化材料，光敏树脂在毛细作用下填充到催化材料的孔隙中，催化材料的一面和基底电极接触，另一面裸露；(2)紫外灯照射，光敏树脂初步固化，压实；(3)紫外灯照射，光敏树脂完全固化，催化材料被固定在基底电极上，得到高稳定性且电催化性能良好的催化材料修饰电极。

【技术特征摘要】
1.一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，采用光敏树脂将催化材料固定于基底电极表面；所述方法包括：(1)将基底电极的表面分成若干个催化区域和至少一个固定区域，每个催化区域和至少一个固定区域相邻；在所述固定区域预涂光敏树脂，在所述催化区域撒上颗粒状催化材料，光敏树脂在毛细作用下填充到催化材料的孔隙中，催化材料的一面和基底电极接触，另一面裸露；(2)紫外灯照射，光敏树脂初步固化，压实；(3)紫外灯照射，光敏树脂完全固化，催化材料被固定在基底电极上，得到高稳定性且电催化性能良好的催化材料修饰电极。2.根据权利要求1所述一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，每一个催化区域沿固定区域边界至催化区域中心的纵向深度小于3mm；所有催化区域的总面积和所有固定区域总面积之比为(1.5～8)：1。3.根据权利要求1所述一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，紫外灯的功率在2-4kW/m2，照射时间0.5-1.5小时，压实采用的压力为1-2kPa；步骤(3)中，紫外灯的功率在2-4kW/m2，照射时间2-3小时。4.根据权利要求1所述一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，在所述固定区域预涂光敏树脂的量为0.1-0.3L/m2，在所述催化区域涂催化材料的量为0.05-0.15kg/m2。5.根据权利要求1或4所述一种高稳定性类电芬顿电极的制备方法，其特征在于，所述催化区域和所述固定区域为间隔设置的条带状；每一个条带状固定区域的宽度为3-10mm；每个条带状催化区...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明明，刘林楠，王新华，王允坤，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37