一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极制造技术

本发明专利技术涉及建材技术领域，旨在提供一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极。该电极该电极是以内部富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，在基底材料的表面和内部均匀密集负载纳米尺寸锑掺杂氧化锡催化剂颗粒而具有三维结构；该电极中，锑掺杂氧化锡催化剂的修饰量为15～250mg/cm

A three-dimensional antimony doped tin oxide electrode with high efficiency and long life

【技术实现步骤摘要】
一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极
本专利技术涉及电化学氧化电极材料领域，特别涉及一种具有高降解能力和长久寿命三维结构锑掺杂氧化锡电极。该电极材料主要应用于电化学高级氧化技术处理难降解有机废水，属于材料制备领域。
技术介绍
人类工业生产活动产生的有机废水和传统生物法处理废水中往往含有高浓度或低浓度的难降解有机污染物，这部分污染物结构稳定、毒性高、危害大，传统的生物化学方法很难处理。电化学氧化技术基于在电极表面发生电催化反应产生具有强氧化性的羟基自由基，被广泛研究应用于处理各种难降解有机污染物。与其它高级氧化技术相比，电化学氧化技术具有低能耗、反应条件温和、操作简单、易于扩大化等优点，在难降解有机废水和废水深度处理领域拥有广阔的前景。目前电化学氧化技术的发展主要受到阳极电极材料的限制。电化学氧化电极材料主要包括Ti/RuO2、Ti/IrO2、Ti/Ta2O5、碳材料电极、二氧化铅(PbO2)电极、硼掺杂金刚石薄膜电极和锑掺杂氧化锡(ATO)电极等。其中Ti/RuO2、Ti/IrO2、Ti/Ta2O5和碳材料电极具有低的析氧电位和自由基产率，难以满足实际处理的需求。而PbO2电极在制备和使用过程中会释放高毒性的Pb离子，造成重金属污染；BDD电极表现出优异的污染物降解性能，然而制备过程复杂、制备能耗高、价格昂贵。ATO电极具有低成本、制备简单、低毒性等优点，然后短的使用寿命限制了其实际应用。ATO电极失效一方面是由于催化剂在基底材料表面的溶解和脱落，另一方面是由于降解过程中催化剂表面变性产生不导电的氢氧化锡相关物质。因此，通过提高催化剂的修饰量、提高催化剂的活性面积、改善催化剂与基底材料的结合有利于提高ATO电极的寿命和性能。传统的ATO电极是在钛片或者钛网基底上负载氧化锡催化剂形成的二维电极，由于基底材料比表面积限制使得负载高量二氧化锡催化剂存在较大问题：随着修饰量的提高，电极催化层的不均匀性显著增加，造成使用过程催化层脱落、电极导电性差等影响，从而限制其实际应用。另一方面传统二维ATO电极存在催化剂与基底结合面积小，电极电化学活性面积低等问题。针对上述难题，本专利技术通过改进电极的基底材料和电极的制备方法，以富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，通过在基底材料内部和外部均匀负载纳米尺寸ATO催化剂，获得了一种性能高效、寿命长久、成本低廉的三维结构锑掺杂氧化锡电极。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中ATO电极寿命短、电极催化活性相对较差等问题，提供一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极。为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：提供一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极，该电极是以内部富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，在基底材料的表面和内部均匀密集负载纳米尺寸锑掺杂氧化锡催化剂颗粒而具有三维结构；该电极中，锑掺杂氧化锡催化剂的修饰量为15～250mg/cm2；Sb在锑掺杂氧化锡催化剂中的掺杂比例为Sb/Sn＝5～20％。本专利技术中，所述泡沫钛的内部孔径为10～300μm，孔隙率为50～90％。本专利技术中，所述泡沫钛的厚度为0.4～10mm。本专利技术中作为基底材料的泡沫钛，其处置方式示例如下：取商品泡沫钛，依次用400目和800目砂纸打磨后，用去离子水清洗干净；然后在80℃、质量浓度为40％的NaOH溶液中浸泡0.5h，取出用去离子水洗净；再转至质量浓度为10％的草酸溶液中煮沸0.5h，超声条件下清洗干净后，浸泡在乙醇溶液中，得到清洁粗糙的内部富含微米孔的泡沫钛；本专利技术中的三维结构锑掺杂氧化锡电极，可基于脉冲电沉积法或者热沉积法在泡沫钛基底的内外部修饰纳米尺寸锑掺杂氧化锡，通过控制反应参数以获得不同催化剂修饰量、尺寸和分布及形貌。锑掺杂氧化锡的催化剂制备，以及将锑掺杂氧化锡的催化剂负载于泡沫钛上的过程，示例如下：脉冲电沉积法制备：将SnCl2、SbCl3、络合剂、粘结剂和表面活性剂溶于水中作为前驱液，SnCl2浓度为0.4～1.5mol/L；SbCl3与SnCl2的摩尔浓度比为0.09～0.03∶1；络合剂是0.2～0.75mol/L的柠檬酸或者草酸铵；粘结剂是50ppm的明胶；表面活性剂是50～100ppm的PEG2000；将经过预处理的泡沫钛作为阴极，其两侧对称布置石墨片作为阳极；阴极和阳极均浸入在前驱液中，并加载脉冲电流进行沉积处理；该过程中，控制阳极电流40～80mA/cm2持续30～60ms，5～10mA/cm2持续30～60ms，0mA持续1s；重复执行10000～50000次脉冲循环后，将获得的泡沫钛在450～650℃条件下保温1～3h；冷却至室温后，得到在泡沫钛表面和内部微米孔中沉积了纳米尺寸锡锑颗粒锑掺杂氧化锡电极。热沉积法制备：将SnCl2、SbCl3和表面活性剂的醇溶液作为前驱液，SnCl2浓度为0.4～1.5mol/L；SbCl3与SnCl2的摩尔浓度比为0.09～0.03∶1；表面活性剂是0.1～0.3mol/L的盐酸；醇溶剂为甲醇、乙醇或者异丙醇；将经过预处理的泡沫钛浸没于前驱液20s，取出后在100～120℃下干燥5min，再置于450～650℃马弗炉中灼烧5min，冷却至室温；重复浸没-干燥-灼烧-冷却的操作30～60次，将获得的泡沫钛在450～650℃条件下保温1～3h；冷却至室温后，得到在泡沫钛表面和内部微米孔中沉积了纳米尺寸锡锑颗粒锑掺杂氧化锡电极。专利技术原理描述:本专利技术中的三维结构锑掺杂氧化锡电极，采用脉冲电沉积或者热沉积方法将前驱液中的Sn2+,Sb3+同时修饰到泡沫钛基底内外部，在后续高温氧化过程形成锑掺杂氧化锡颗粒，通过控制反应参数以获得不同修饰量、尺寸、分布及形貌催化剂。通过提高催化剂的修饰量，提高催化剂的活性面积，改善催化剂与基底材料的结合有利于提高ATO电极的寿命和性能。本专利技术选用内部富含微米孔的泡沫钛作为电极基底材料，其具有高比表面积，能够在材料表面和内部为催化剂提供附着位点；通过调控脉冲电沉积和热沉积反应过程，将ATO催化剂均匀负载于泡沫钛基底表面和内部，最终获得电极催化剂修饰量达到15～250mg/cm2，是传统ATO电极的1.5～25倍以上。本专利技术电极克服了传统二维ATO电极催化剂修饰量低问题，有利于改善因催化剂溶解和变性对电极性能的损害。另一方面，通过调控脉冲电沉积和热沉积过程，最终制备的ATO催化剂在泡沫钛表面和内部以纳米尺寸颗粒分布，使得催化剂具有高的比表面积，有利于提供更多的电化学活性位点提高电极的催化活性。相较于二维的钛片或钛网基底ATO电极催化剂堆垒的生长方式，本专利技术电极催化层厚度较薄，催化剂与Ti基底具有优良的结合，有利于改善催化剂与基底材料的结合。此外，本专利技术中的电极表面催化层分布均匀、致密对Ti基底有较好的包覆能力，能够避免Ti片裸露氧化造成电极性能和稳定性下降；本专利技术电极内部催化剂与泡沫钛结合紧密能够避免催化剂脱落等对电极寿命的影响。同时本专利技术电极具有三维结构，有利于改善传质，强化污染物与催化剂的接触，增强传质，提高污染物的降解速率。与现有技术相比，本专利技术有益效果如下：1、本专利技术电极采用内部富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，最终制备电极催化剂修饰量可达到15～250mg/cm2，克服了传统电极ATO催化剂修饰量低问题本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极，其特征在于，该电极是以内部富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，在基底材料的表面和内部均匀密集负载纳米尺寸锑掺杂氧化锡催化剂颗粒而具有三维结构；该电极中，锑掺杂氧化锡催化剂的修饰量为15～250mg/cm

【技术特征摘要】
1.一种高效长寿命的三维结构锑掺杂氧化锡电极，其特征在于，该电极是以内部富含微米孔的泡沫钛作为基底材料，在基底材料的表面和内部均匀密集负载纳米尺寸锑掺杂氧化锡催化剂颗粒而具有三维结构；该电极中，锑掺杂氧化锡催化剂的修饰量为15～250mg/cm2...

【专利技术属性】
技术研发人员：成少安，孙怡，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33