纤维增强型多孔炭基电催化滤料的制备方法技术

本发明专利技术公开了纤维增强型多孔炭基电催化滤料的制备方法，其制备流程分为炭基体预处理、平板状多孔炭材料制备、通过浸渍法或者电化学沉积法在所述的平板状多孔炭材料上负载纳米中间层、通过溶胶凝胶法或者电沉积法在负载有纳米中间层的多孔炭材料上制备催化活性层。本发明专利技术制备的纤维增强型的多孔炭基电催化滤料可以延长多孔炭基电催化滤料的使用寿命。

Preparation of fiber reinforced porous carbon based electrocatalytic filter media

The invention discloses a preparation method of a fiber reinforced porous carbon based electrocatalytic filter material. The preparation process is divided into carbon matrix pretreatment, flat porous carbon material preparation, nano impregnation on the flat porous carbon material by impregnation method or electrochemical deposition method, and preparation of porous carbon materials loaded with nano middle layer by sol-gel method or electrodeposition method. Catalytic active layer. The fiber reinforced porous carbon based electrocatalytic filter material prepared by the invention can prolong the service life of the porous carbon based electrocatalytic filter material.

【技术实现步骤摘要】
纤维增强型多孔炭基电催化滤料的制备方法
本专利技术涉及膜过滤材料、滤塔填料以及电催化材料用于废水处理、水中微生物消毒灭活、有机废气处理、空气气溶胶处理等环境处理领域，尤其涉及纤维增强型多孔炭基电催化滤料的制备方法。
技术介绍
当前，对于废水及废气处理而言，电化学氧化技术是一种很有潜力的处理手段。电催化氧化法由于在电流作用下，能够在电极表面上产生大量活性物质(羟基自由基、过氧化氢等)，对氧化降解水中和空气中的有机污染物而言，具备反应条件温和、降解高效、无需投加药剂、操作简单等独特优点(环境科学，2003，02:121-124)。目前，金属氧化物涂层电极是电催化氧化领域中最为广泛使用的电极材料之一，已被广泛应用于电化学氧化废水处理及各类电化学工业中，但是现阶段主流应用的钛电极存在着价格高、传质性能差、易钝化失活等制约因素(稀有金属快报，2004，04:1-7)。多孔炭材料是一类可耐高温且具有丰富孔隙结构的碳素材料，在物质提纯精制、分离净化、催化等领域已得到广泛的应用(新型炭材料，2000，01:6-11)。多孔炭材料具有导电性优良、电化学稳定性好以及孔隙率大的优点，相比目前常用的钛基体，其材料具备原料广泛、价格低廉等特性，且不会形成氧化膜致使电极钝化失活(CN206244890U)。因此，基于多孔碳材料为载体制备负载金属氧化物的电催化滤料，可充分发挥孔道效应，依靠外加压力的强制对流提高污染物的传质效果，且材料本身极高的比表面积可为活性催化层的大量负载提供良好的基础，相比多孔钛提升空间巨大(CN107020074A)，进而增加更多催化活性位点，促进有机污染物的矿化降解。然而，现有的多孔炭材料存在机械强度性能低、与金属氧化物层结合力不足的缺陷(CN103272490A，CN101857288A)。因此，将负载金属氧化物催化层的多孔炭滤料应用在环境治理领域中，一方面可在多孔炭基体滤料上进一步通过涂覆、电沉积等方法引入纳米尺度的碳纳米材料(碳纳米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等)，目的在于提高催化活性层与基体的结合力以及电子传输能力，增强其稳定性；另一方面通过使用高强度的纤维材料作为支撑层衬底可增强原材料的机械强度，使其满足更高的运行要求，延长使用寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种提高催化活性层与基体的结合力以及电子传输能力，增强其稳定性、满足更高的运行要求及延长使用寿命的纤维增强型多孔炭基电催化滤料的制备方法。本专利技术提供了一种具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，包括以下步骤：一种具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，其特征在于包括以下步骤：(1)炭基体预处理,包括以下步骤：将炭基体在通氮气保护下的管式马弗炉中于300～400℃高温下炭化1～2h后，浸泡在由体积比为1:1:10～1:1:20的质量百分比为37％的浓盐酸、质量百分比为30％的过氧化氢及去离子水组成的混合溶液中处理10～25min，用去离子水和无水乙醇交替清洗炭基体至中性，放置在烘箱中于90～105℃温度下干燥脱除基体的水分；(2)选用高强度纤维材料作为衬底支撑层，将预处理后的炭基体与炭基体混匀后放在压片机模具中作为衬底支撑层的纤维材料上，所述的粘结剂添加量占预处理后的炭基体质量分数1～5wt.％，成型压力控制在50～100MPa，保压时间控制在10～30min，将炭基体压制成平板状叠层结构，并置于马弗炉中在300～400℃温度下高温炭化1～2h形成平板状多孔炭材料；(3)通过浸渍法或者电化学沉积法在所述的平板状多孔炭材料上负载纳米中间层；(4)通过溶胶凝胶法或者电沉积法在负载有纳米中间层的多孔炭材料上制备催化活性层。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：纤维衬底支撑层、纳米中间层、催化层活性层这三类功能层，可以有效增加多孔炭基体的机械强度，同时增强催化层与基体的结合力以及电子传输能力，延长多孔炭基电催化滤料的使用寿命。该材料在去除污染物的机制上，不仅具备分离膜的过滤截留性能，还同时具备优良电催化氧化性能。相比传统的平板钛、多孔钛为主的涂层钛电极，由于其金属氧化物负载量高可显著提高催化活性，不易发生钝化失活。本专利技术具有纤维增强型的多孔炭基电滤料高效、廉价、性能稳定，在废水及废气处理领域具有广阔的应用前景。附图说明图1为纤维增强型多孔炭基电催化滤料的功能层示意图；图2为多孔炭基电催化滤料上最外层(负载活性层)的SEM图片。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术加以详细说明。一种具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，包括以下步骤：(1)炭基体预处理,包括以下步骤：将炭基体在通氮气保护下的管式马弗炉中于300～400℃高温下炭化1～2h后，浸泡在由体积比为1:1:10～1:1:20的质量百分比为37％的浓盐酸、质量百分比为30％的过氧化氢及去离子水组成的混合溶液中处理10～25min，用去离子水和无水乙醇交替清洗炭基体至中性，放置在烘箱中于90～105℃温度下干燥脱除基体的水分。预处理的目的在于通过无机酸对基体表面修饰，减小基体表面与金属界面间的应力。(2)选用高强度纤维材料(可以为陶瓷纤维、碳纤维、碳化硅纤维、硼纤维等高强度纤维中的任意一种)作为衬底支撑层，将预处理后的炭基体与粘结剂混匀后放在压片机模具中作为衬底支撑层的纤维材料上，所述的粘结剂添加量占预处理后的炭基体质量分数1～5wt.％，所述的的粘结剂优选的为聚乙烯醇、酚醛树脂等，成型压力控制在50～100MPa，保压时间控制在10～30min，将炭基体压制成平板状叠层结构，并置于马弗炉中在300～400℃温度下高温炭化1～2h形成平板状多孔炭材料。(3)通过浸渍法或者电化学沉积法在所述的平板状多孔炭材料上负载纳米中间层；所述的浸渍法包括以下步骤：将步骤(2)中的平板状多孔炭材料浸渍于由0.1～0.5wt.％的碳纳米材料(可选择碳纳米管、石墨烯、石墨炔等)、1～3wt.％的表面活性剂(可选十二烷基苯磺酸钠等)、余量为H2O组成的溶液体系中，并置于90～150℃的烘箱中干燥(通常5min即可)，重复以上步骤20～30次，增加碳纳米材料的负载量。所述的电化学沉积法包括以下步骤：将步骤(2)中的平板状多孔炭材料浸渍于由0.1～0.5wt.％的碳纳米材料、1～3wt.％的十二烷基苯磺酸钠、3～5wt.％的Na2SO4、余量为H2O组成的沉积液，并以平板状多孔炭材料为工作电极，铂电极为对电极组成电解池，电源电压设置范围为-2-8V，沉积圈数为10-30圈。(4)通过溶胶凝胶法在负载有纳米中间层的多孔炭材料上制备催化活性层。所述的溶胶凝胶法包括以下步骤：第一步，配置两种含不同过渡金属的金属盐，所述的过渡金属可以为Sn、Ru、Ir、Sb、Bi、Ta等；第二步，将两种金属盐和碳原子数为2～8的多元羧酸加入H2O中混合形成溶解均匀的第一混合溶液，所述的第一混合溶液中两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)炭基体预处理,包括以下步骤：/n将炭基体在通氮气保护下的管式马弗炉中于300～400℃高温下炭化1～2h后，浸泡在由体积比为1:1:10～1:1:20的质量百分比为37％的浓盐酸、质量百分比为30％的过氧化氢及去离子水组成的混合溶液中处理10～25min，用去离子水和无水乙醇交替清洗炭基体至中性，放置在烘箱中于90～105℃温度下干燥脱除基体的水分；/n(2)选用高强度纤维材料作为衬底支撑层，将预处理后的炭基体与炭基体混匀后放在压片机模具中作为衬底支撑层的纤维材料上，所述的粘结剂添加量占预处理后的炭基体质量分数1～5wt.％，成型压力控制在50～100MPa，保压时间控制在10～30min，将炭基体压制成平板状叠层结构，并置于马弗炉中在300～400℃温度下高温炭化1～2h形成平板状多孔炭材料；/n(3)通过浸渍法或者电化学沉积法在所述的平板状多孔炭材料上负载纳米中间层；/n(4)通过溶胶凝胶法或者电沉积法在负载有纳米中间层的多孔炭材料上制备催化活性层。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)炭基体预处理,包括以下步骤：
将炭基体在通氮气保护下的管式马弗炉中于300～400℃高温下炭化1～2h后，浸泡在由体积比为1:1:10～1:1:20的质量百分比为37％的浓盐酸、质量百分比为30％的过氧化氢及去离子水组成的混合溶液中处理10～25min，用去离子水和无水乙醇交替清洗炭基体至中性，放置在烘箱中于90～105℃温度下干燥脱除基体的水分；
(2)选用高强度纤维材料作为衬底支撑层，将预处理后的炭基体与炭基体混匀后放在压片机模具中作为衬底支撑层的纤维材料上，所述的粘结剂添加量占预处理后的炭基体质量分数1～5wt.％，成型压力控制在50～100MPa，保压时间控制在10～30min，将炭基体压制成平板状叠层结构，并置于马弗炉中在300～400℃温度下高温炭化1～2h形成平板状多孔炭材料；
(3)通过浸渍法或者电化学沉积法在所述的平板状多孔炭材料上负载纳米中间层；
(4)通过溶胶凝胶法或者电沉积法在负载有纳米中间层的多孔炭材料上制备催化活性层。


2.根据权利要求1所述的具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中的浸渍法包括以下步骤：将步骤(2)中的平板状多孔炭材料浸渍于由0.1～0.5wt.％的碳纳米材料、1～3wt.％的表面活性剂、余量为H2O组成的溶液体系中，并置于90～150℃的烘箱中干燥，重复以上步骤20～30次，增加碳纳米材料的负载量。


3.根据权利要求2所述的具有高强度纤维衬底的多孔炭基电滤料制备方法，其特征在于：所述的高强度纤维材料为陶瓷纤维、碳纤维、碳化硅纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：王灿，陈敏，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12