一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种掺杂碳纳米管的Blue

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及催化剂制备领域，具体涉及碳纳米管Blue-TiO2/PbO2电极材料的制备方法，属于电催化


技术介绍

[0002]随着城市化和产业化的迅速发展，化学工业也随之在不断发展。人工合成的有机物数量约500万种。合成有机物在给我们生活带来便利的同时，也在生产、销售和使用环节造成大量的水、气、固的有机污染，其严重程度、性质和危害已超出了人们的想象。对于处理成分复杂、高导电率的高难度降解工业废水，一般的生物法、物理法、化学方法处理效果差。高级氧化技术(AOP)通常用于顽固(不可生物降解)的溶液或废水以改善生物降解性。电化学氧化技术是高级氧化技术的一种，因其具有其它处理方法难以比拟的优越性，如无二次污染、可控性强、能量效率高、能够将污染物彻底降解等特点，被称为环境友好型技术。
[0003]用电化学氧化技术处理难降解污染物，首先要选择合适的阳极材料，电极材料对于氧化过程和电化学的降解效率具有很大的影响。电极主要有金属、石墨、金属氧化物、掺硼金刚石等。金属电极如Fe、不锈钢等金属容易发生溶出现象导致阳极损耗。石墨电极的导电导热性能较好，且耐腐蚀性强，但是石墨的机械强度不高，容易氧化损耗。掺硼金刚石(BDD)由于其有较高的析氧电势、催化活性，被认为是目前最为理想的电极材料，但其价格昂贵限制了其应用。金属氧化物电极一般由金属基底和氧化物薄膜构成。目前常用的基底材料为Ti，具备良好的耐腐蚀性和导电性。TiO2纳米管可大大提高比表面积，增加活性位点和电子转移能力。PbO2电极具有良好的导电性、制备简单、价格低廉等优点，能在电解过程中产生大的
·
OH自由基，矿化各种有机物。但由于PbO2电极表面的化学成分和性质不够稳定，电极易失活，并且在高压下涂层容易脱落，使用寿命短，掺杂碳纳米管改变PbO2晶格尺寸和取向使其更加稳定。因此设计制作一种高催化活性、高稳定性电极对利用电化学催化技术降解高难度有机废水的研究具有重大意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法。
[0005]本专利技术要解决的第二个问题是提供一种上述方法制备的电极催化剂在降解污染物中的应用案例。
[0006]为解决上述第一个技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]1)首先将钛板(40mm
×
40mm
×
1mm)进行预处理。表面的清理和粗化，钛板用砂纸快速打磨直至钛板表面呈白色金属光泽，去离子水洗干净，去除油污和表面氧化层。然后在20％的硫酸中消解30min，最后在10％的草酸中刻蚀2h；
[0009]2)Blue-TNA的制备。首先在42V的条件下进行第一次氧化，配置0.25wt.％NH4F和2vol.％H2O的乙二醇电解质溶液，以Ti板为阳极，以钛板为阴极，进行阳极氧化6h，极板间距为2cm。然后将得到的TNA在配置的含有0.1wt％NH4F和1vol.％H2O的乙二醇电解质溶液中在60V下直接进行二次阳极氧化1小时，将形成的TNA在450℃的空气中以2℃/min的升温速率退火2h。最后将TNA在10％甲酸溶液中以5mA/cm2的电流密度电化学还原5分钟。将形成的TNA在500℃的空气中以2℃/min的升温速率退火2h。
[0010]3)活性层CNT-PbO2的电沉积。采用电沉积法制备α-PbO2中间层，电沉积液为含0.1mol/L PbO的3.5mol/LNaOH溶液。电沉积条件为：电流密度10m A/cm2，时间30min。采用电沉积法制备β-PbO2表面活性层，电沉积液为含0.125mol/L Pb(NO3)2和0.01mol/L NaF的0.1mol/L HNO3溶液，电沉积溶液中加入5g/L的碳纳米管(CNT)。电沉积条件为：电流密度20mA/cm2，时间为1h。
[0011]作为技术方案的进一步改进，步骤1)中，所述钛板预处理进行砂纸和化学抛光相结合，将打磨好的电极在20％的硫酸中进行持续消解30min，用大量去离子水清洗干净。
[0012]优选地，步骤1)中，所述钛板消解预处理后进行除油，将消解后的电极放置在80℃的40％NaOH中脱脂30分钟。
[0013]优选地，步骤1)中，所述钛板除油预处理后进行刻蚀，配置20％草酸溶液，将钛板垂直置于98℃的草酸溶液中刻蚀2.0h，用大量的去离子水清洗。
[0014]优选地，步骤2)中，所述第一次阳极氧化电压优化为32V；
[0015]优选地，步骤2)中，所述第二次阳极氧化电压优化为30V；
[0016]优选地，步骤2)中，所述将形成的TNA在500℃进行煅烧，将温度设为400-500℃；
[0017]优选地，步骤3)中，所述电沉积溶液中加入的CNT的量为3-5g/L；
[0018]优选地，步骤3)中，所述β-PbO2掺杂CNT层电沉积时间为40min、60min、80min；
[0019]为解决上述第二个技术问题，本专利技术上述制得的电极催化剂在电化学降解实验中的应用。
[0020]所述的应用过程为，将使用上述制备的Blue-TiO2/CNT-PbO2的电极材料用作降解实验的阳极材料，阴极选用不锈钢电极，使用Na2SO4作为电解质，将两个电极分别接到直流电源上的正极和负极上，阳极催化剂表面将会发生强烈的氧化反应，阴极发生还原反应，阳极表面产生大量的
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OH自由基将污染物彻底氧化。
[0021]本专利技术所记载的任何范围包括端值与端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
[0022]如无特殊说明，本专利技术中的各原料均可通过市售购买获得，本专利技术中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
[0023]与现有技术相比较，本专利技术具有如下有益效果：
[0024](1)本专利技术以价格便宜且来源广泛的钛板为电催化的原材料，制备以钛板为基底的掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料，与BDD相比有相近的析氧电势，具有更大的比表面积和活性位点，极大地降低了制备的成本和制备的复杂程度，提供一种新的电催化电极制备的新途径，同时也为工业化工类废水的降解提供了新思路；
[0025](2)本专利技术在钛板的基础上制备蓝色纳米管，其具有更高的比表面积和较普通纳米管具有更高的导电性，性能更稳定。在其的基础上进行PbO2的电沉积，制备出具有更高催
化活性和导电性的电极材料，制备过程简单，可大面积制备和广泛应用；
[0026](3)本专利技术在制备Blue-TiO2/PbO2的过程中，将PbO2的沉积液中加入碳纳米管(CNT)，其具有独特的孔管状纳米结构和特性，使电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：1)钛板表面清理和粗化，钛板用砂纸快速打磨直至钛板表面呈白色金属光泽，去离子水洗干净，去除油污和表面氧化层；然后在20％的硫酸中消解，最后在10％的草酸中刻蚀；2)Blue-TNA的制备；首先在42V的条件下进行第一次氧化，配置0.25wt.％NH4F和2vol.％H2O的乙二醇电解质溶液，以Ti板为阳极，以钛板为阴极，进行阳极氧化6h，极板间距为2cm；然后将得到的TNA在配置的含有0.1wt％NH4F和1vol.％H2O的乙二醇电解质溶液中在60V下直接进行二次阳极氧化1小时，将形成的TNA在450℃的空气中以2℃/min的升温速率退火2h；最后将TNA在10％甲酸溶液中以5mA/cm2的电流密度电化学还原5分钟；将形成的TNA在500℃的空气中以2℃/min的升温速率退火2h；3)活性层CNT-PbO2的电沉积；采用电沉积法制备α-PbO2中间层，电沉积液为含0.1mol/LPbO的3.5mol/LNaOH溶液；采用电沉积法制备β-PbO2表面活性层，电沉积液为含0.125mol/LPb(NO3)2和0.01mol/LNaF的0.1mol/LHNO3溶液，电沉积溶液中加入5g/L的碳纳米管；电沉积条件为：电流密度20mA/cm2，时间为1h；完成Blue-TiO2/CNT-PbO2的制备。2.根据权利要求1所述的一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述钛板预处理进行砂纸和化学抛光相结合，将打磨好的电极在20％的硫酸中进行持续消解30min，用大量去离子水清洗干净。3.根据权利要求1所述的一种掺杂碳纳米管的Blue-TiO2/CNT-PbO2电极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述钛板消解预处理后进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：海热提，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：