一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法。该粒子电极以氧化石墨烯、四氧化三铁和二氧化锰为原料，通过水热合成法制备负载有催化活性组分的三维多孔石墨烯水凝胶，将其进行冷冻干燥和在惰性气氛下焙烧还原，即得到一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极。本发明专利技术磁性石墨烯气凝胶粒子电极具有良好的催化活性，对氯代丙二醇废水中的氯离子和TOC具有良好的去除效果；且该粒子电极在使用后可利用外加磁场进行回收，便于重复使用，稳定性强。

Magnetic graphene aerogel particle electrode and preparation method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法
本专利技术涉及电催化
，具体涉及用于去除废水中的有机污染物的一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极及其制备方法。
技术介绍
近年来，电催化技术在废水处理领域得到了广泛的应用。该技术是利用阳极的氧化反应和实验过程中产生的·OH、ClO-和Cl-等活性氧化物质直接和间接的降解废水中的污染物。电催化氧化技术具有操作简单、反应条件温和以及无二次污染等优点，在处理难降解废水方面展现出了高效的降解能力，逐渐成为污水处理领域的研究热点。由于传统的二维平板电极，具有面体比小、电耗高、电流效率低和传质速率慢等缺点，因此三维电极应运而生。三维电极要求在电极间填充颗粒状或废屑状的粒子电极材料，成为新的一极，并使其表面带电，进而在其表面上发生化学反应。粒子电极能够增加三维电极的面体比，并且由于粒子电极之间的间距较小，极大的改善了物质的传质过程，在加快反应速率的同时进一步提高了电催化效率。因此，现有三维电极无法满足要求，需对三维电极反应器进行结构改造或研究得到具有较高催化活性的粒子电极。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极，其具有催化活性高、稳定性强、制备方法简单等特点。其中石墨烯的存在可以加快电子的转移速度，四氧化三铁和二氧化锰的存在可以催化阴极区域原位生成的过氧化氢，产生羟基自由基，且四氧化三铁可以赋予该粒子电极磁性，便于使用后进行回收。本专利技术采用的技术方案是：一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法，包括如下步骤：将8－15mg·mL-1的氧化石墨烯浆料、四氧化三铁纳米粒子和二氧化锰纳米粒子按质量比为1:1－5:1－5的比例加入到烧杯中，超声分散混合均匀，随后转移至水热合成釜中在120－150℃水热合成，水热合成后利用磁铁分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤，冷冻干燥，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极前驱体；然后在氢气气氛、400－800℃下热还原处理，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极。本专利技术上述磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法，该方法优选包括下述步骤：(1)四氧化三铁纳米粒子的制备：利用一步共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子。将三氯化铁和氯化亚铁在去离子水中溶解，超声分散5min后，加入装有冷凝管的四口烧瓶中，氮气除氧30min，升温至90-100℃，用蠕动泵以1mL·min-1的速度滴加氨水溶液，至pH为7－12，反应1－5h。利用外加磁场进行固液分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤2次以上，冷冻干燥，得到四氧化三铁纳米粒子。(2)二氧化锰纳米粒子的制备：将高锰酸钾、盐酸溶液和还原剂溶解在去离子水中，然后将上述溶液转移至水热合成釜中，并在100－150℃的温度下保持8－15h，随后自然冷却至室温，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤2次以上，冷冻干燥，得到二氧化锰纳米粒子。(3)根据改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后配制成浓度为8－15mg·mL-1的浆料。将氧化石墨烯浆料、四氧化三铁和二氧化锰按质量比为1:1－5:1－5的比例加入到烧杯中，超声分散15min，随后转移至水热合成釜中，升温至120－150℃，保温1－5h。利用磁铁分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤2次以上，冷冻干燥，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极前驱体。(4)将得到的磁性石墨烯气凝胶粒子电极前驱体在氢气气氛下，升温至400－800℃热还原处理30－60min，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极。上述磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法中，所述方法步骤(1)中氯化亚铁和三氯化铁的摩尔比优选为1:1－3。上述磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法中，所述方法步骤(2)中的还原剂优选为水合肼、尿素、葡萄糖中的一种或两种混合。上述磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法中，所述方法步骤(2)中的盐酸的浓度优选为2mol·L-1。上述磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法中，，所述方法步骤(2)中的还原剂和高锰酸钾的质量比优选为1:1－6。本专利技术所提供的一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法，其具有操作简单，稳定性好等优点，依照所提供的制备方法制备得到的磁性石墨烯气凝胶粒子电极对氯代丙二醇废水中的氯离子和TOC具有良好的去除效果，且能耗较低。具体实施方式下面用具体实施例来详细说明本专利技术的技术方案，但实施例并不限制本专利技术的范围。实施例1－4为一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备，实施例5为实施例1－4所制备三维粒子电极的性能评价，实施例6为所制备三维粒子电极的稳定性试验。实施例1(1)四氧化三铁纳米粒子的制备：利用一步共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子。将2.71g三氯化铁和2.78g氯化亚铁在去离子水中溶解，超声分散5min后，加入装有冷凝管的四口烧瓶中，氮气除氧30min，升温至90℃，用蠕动泵以1mL·min-1的速度滴加氨水溶液，至pH为8，反应1h。利用外加磁场进行固液分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到四氧化三铁纳米粒子A1。(2)二氧化锰纳米粒子的制备：将0.11g高锰酸钾、2mL盐酸溶液和0.05g尿素溶解在去离子水中，然后将上述溶液转移至水热合成釜中，并在110℃的温度下保持8h，随后自然冷却至室温，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到二氧化锰纳米粒子B1。(3)根据改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后配制成浓度为8mg·mL-1的浆料C1；将30mLC1、0.25gA1和0.24gB1加入到烧杯中，超声分散15min，随后转移至水热合成釜中，升温至120℃，保温1h。利用磁铁分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极前驱体D1。(4)将得到的D1在氢气气氛下，升温至400℃热还原处理30min，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极Ⅰ。实施例2(1)四氧化三铁纳米粒子的制备：利用一步共沉淀法制备四氧化三铁纳米粒子。将2.71g三氯化铁和2.78g氯化亚铁在去离子水中溶解，超声分散5min后，加入装有冷凝管的四口烧瓶中，氮气除氧30min，升温至90℃，用蠕动泵以1mL·min-1的速度滴加氨水溶液，至pH为9，反应2h。利用外加磁场进行固液分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到四氧化三铁纳米粒子A2。(2)二氧化锰纳米粒子的制备：将0.15g高锰酸钾、3mL盐酸溶液和0.05g尿素溶解在去离子水中，然后将上述溶液转移至水热合成釜中，并在120℃的温度下保持10h，随后自然冷却至室温，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到二氧化锰纳米粒子B2。(3)根据改进的Hummers法制备氧化石墨烯，然后配制成浓度为8mg·mL-1的浆料C2；将30mLC2、0.48gA2和0.47gB2加入到烧杯中，超声分散15min，随后转移至水热合成釜中，升温至120℃，保温2h。利用磁铁分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤3次，冷冻干燥，得到磁性石墨烯气凝胶本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：/n将8－15mg·mL

【技术特征摘要】
1.一种磁性石墨烯气凝胶粒子电极的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
将8－15mg·mL-1的氧化石墨烯浆料、四氧化三铁纳米粒子和二氧化锰纳米粒子按质量比为1:1－5:1－5的比例加入到烧杯中，超声分散混合均匀，随后转移至水热合成釜中在120－150℃水热合成，水热合成后利用磁铁分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤，冷冻干燥，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极前驱体；然后在氢气气氛、400－800℃下热还原处理，得到磁性石墨烯气凝胶粒子电极。


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)四氧化三铁纳米粒子的制备：利用一步共沉淀方法制备四氧化铁纳米粒子。将三氯化铁和氯化亚铁在去离子水中溶解，超声分散混合均匀后，加入装有冷凝管的四口烧瓶中，经氮气除氧后升温至90－100℃，以1mL·min-1的速度滴加氨水溶液，至pH为7－12，反应1－5h；利用外加磁场进行固液分离，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤2次以上，冷冻干燥，得到四氧化三铁纳米粒子；
(2)二氧化锰纳米粒子的制备：将高锰酸钾、盐酸溶液和还原剂溶解在去离子水中，然后将上述溶液转移至水热合成釜中，并在100－150℃的温度下保持8－15h，随后自然冷却至室温，将沉淀物用去离子水和乙醇洗涤2次以上，冷冻干燥，得到二氧化锰纳米粒子；
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：滕厚开，谢陈鑫，任春燕，赵慧，钱光磊，雷太平，李旗，周立山，
申请(专利权)人：中海油天津化工研究设计院有限公司，中海油能源发展股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12