一种用于水处理的泡沫镍负载碳纳米管及铜金属电极的制备与应用属于材料学，化学与环境工程的交叉领域。本发明专利技术利用电泳沉积法将碳纳米管负载在预处理后的泡沫镍基体上。碳纳米管的引入可以在电沉积制备电极的过程中为活性金属组分Cu提供较大的比表面积和更多的成核位点，促进金属颗粒的高度分散，改善电极的催化活性。本方法制备的阴极电催化还原性能优良、操作易控、成本较低、易于实现工业化，应用于电催化还原方法处理难降解的硝酸盐废水，具有良好的催化还原效果。有良好的催化还原效果。有良好的催化还原效果。
【技术实现步骤摘要】
一种用于水处理的泡沫镍负载碳纳米管/铜电极的制备方法及应用
[0001]本专利技术提供一种基于泡沫镍负载碳纳米管/铜电极的制备及应用方法。该方法属于材料学，化学与环境工程的交叉领域。
技术介绍
[0002]电催化还原法是还原处理技术的一种，其具有处理效率高，安全环保、操作易控等优点，关于该方法的研究受到了学者们的广泛关注，被应用于各种难降解废水的处理领域。常规化学催化的反应中反应物和催化剂之间的电子传递是在限定区域内进行的，电子的转移无法从外部加以控制。此外催化加氢法需要持续投加反应所需的氢气，氢气的易燃易爆性质使工艺存在很大危险性。电催化法可以通过外加电源控制电极电势大小，使反应速度更容易控制。水中硝酸盐氮的电催化还原过程中会产生多种中间体和产物 (NO2‑
/HNO2，NH3/NH
4+
，N2O和N2)，氮气是硝酸盐氮废水处理后的最终理想产物。电催化还原技术在处理废水中硝酸盐氮方面的应用仍然缺乏还原高效，成本低廉，氮气选择性高的阴极材料，这也是限制该技术应用的重点与难点。
[0003]泡沫镍是采用开孔泡沫塑料，通过化学镀镍、真空镀镍等方法制备导电层，再在通用的硫酸盐镀镍电解液中电镀厚镍，最后经灼烧、还原、退火工序得到的三维网状材料。泡沫镍有导电导热性能良好、比表面积大、价格低廉等特点，被广泛应用于燃料电池、催化剂载体等方面，本专利技术将其用于硝酸盐废水处理的电催化还原工艺中，拓展了泡沫镍的应用范围与应用领域。
[0004]具有三维立体结构的泡沫镍材料不同于普通的电极基体，它为负载材料提供了较大的表面积。启动子金属铜具有高度占领的d轨道和未闭合的d轨道壳，将硝酸盐转化为亚硝酸盐，有助于硝酸盐的电催化还原。本专利技术在泡沫镍基体上电泳沉积碳纳米管，碳纳米管的引入可以在电沉积制备电极的过程中为活性金属组分Cu提供更多的成核位点，促进金属颗粒的高度分散，改善电极的导电性和催化活性。然后在泡沫镍/碳纳米管电极上电沉积适量的Cu以制备泡沫镍/碳纳米管/铜电极。不同材料间存在的协同效应使电催化还原废水中硝酸盐的反应速率和氮气选择性均有所提升。
[0005]目前，基于泡沫镍的特性来开发电解硝酸盐废水阴极材料的研究鲜有报道，而基于泡沫镍负载碳纳米管/铜电极应用于水处理特别是电催化还原废水中硝酸盐技术的研究及专利等还未有见研究报告。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种应用于水处理领域的基于泡沫镍负载碳纳米管/铜的电极，材料性能优良，制备步骤简单，成本低廉，具有良好的催化还原效果和氮气选择性，易于实现工业化应用。
[0007]电极的制备过程，包括如下步骤：
(1)泡沫镍基体的预处理：将泡沫镍放入丙酮中超声除油20min，再置于0.5mol/L的硫酸溶液中酸洗5
‑
10min去除表面氧化物，最后在去离子水中超声10min彻底冲洗，烘干备用。(2)电泳沉积碳纳米管：用面积相同的不锈钢电极作阳极。两电极垂直放置，彼此平行，距离为10毫米。配制浓度为4g/L的聚乙二醇溶液 250mL，加入20mg碳纳米管(CNTs)，并在功率为400w的条件下超声分散15min，向80.0mg/L的碳纳米管悬浮液中加入0.4g Al2(SO4)3，因为沉积液中的CNTs会呈负电势，围绕在Al
3+
周围，在Al
3+
带动下以及在电场力的作用下向阴极表面沉积。在4
‑
12V电压下进行10分钟电泳沉积(EPD)后，将制备的Ni foam/CNTs电极在室温空气中干燥12小时，并储存在真空干燥器中。(3)以Ni foam/CNTs为阴极，Ti/RuO2‑
Ir2O3为阳极。通过智能双脉冲电源进行阴极电沉积实验。Cu电沉积液含有20mmol/L CuSO4·
5H2O，0.05mol/LNa2SO4，15g/L二水合柠檬酸钠(C6H5Na3O7)和0.4g/L十二烷基硫酸钠(C
12
H
25
SO4Na)。采用恒电流7mA/cm2电沉积10～30min后，用去离子水冲洗。把制备好的Ni foam/CNTs/Cu电极放在恒温干燥箱中干燥12 小时即可使用。
[0008]所述方法制备出的电极在电催化还原系统中作为阴极应用处理硝酸盐氮废水，其条件为：阳极采用Ti/RuO2‑
Ir2O3电极，阴极采用Ni foam/ CNTs/Cu电极，pH值为3～9，电流密度4～8mA/cm2，反应时间为90～150min，电极间距为5mm。
[0009]上述硝酸盐氮废水指含有硝酸盐离子的一种无机氮模拟废水，该污染物较为稳定，处理难度相对较大。
[0010]本专利技术中，基于泡沫镍负载碳纳米管电极提供较大的比表面积和更多的负载位点，二价Cu离子通过电沉积法被还原为零价金属并负载在Nifoam/CNTs电极上以作为催化活性中心，Ni foam/CNTs/Cu电极将污染物吸附在其表面，阴极表面负载的催化活性位点首先将NO3‑
还原为NO2‑
，从而将污染物降解还原为氮气去除。整个系统操作简单，电流效率高。电极性质稳定、电催化还原活性高、氮气选择性好。在广泛的pH值和污染物浓度范围下，对硝酸盐氮均有良好的去除效果，是一种有工业应用前景的优良电极。
附图说明
[0011]图1a是实施例1所用阴极的SEM表征图之一，图1b是实施例1 所用阴极的SEM表征图之二。
[0012]图2是实施例1所用阴极的EDS表征图。
[0013]图3是实施例1所用阴极的XRD表征图。
[0014]图4是实施例1中阴极电催化还原硝酸盐氮废水浓度随时间变化的关系图。
[0015]图5是实施例2中阴极电催化还原硝酸盐氮废水浓度随时间变化的关系图。
[0016]图6是实施例3中阴极电催化还原硝酸盐氮废水浓度随时间变化的关系图。
[0017]图7是实施例1中阴极重复使用6次的稳定性效果图。
具体实施方式
[0018]为了更好地解释本专利技术的精神及内容，进一步阐述本专利技术的用途，下面给出本专利技术的几个非限定性实例，即本专利技术的内容包括但不仅限于下述几个实施例。
[0019]实施例1
[0020]首先将泡沫镍放入丙酮中超声除油20min，再置于0.5mol/L的硫酸溶液中酸洗10min，最后在去离子水中超声10min彻底冲洗，烘干备用。在电泳沉积碳纳米管的过程中用面积相同的不锈钢板作阳极。两电极垂直放置，彼此平行，距离为10毫米。沉积实验在在静止条件下进行。配制浓度为4g/L 的聚乙二醇溶液250mL，加入20mgCNTs，并在功率为400w的条件下超声分散15min。向80.0mg/L的CNTs悬浮液中加入0.4gAl2(SO4)3，在12V电压下进行10分钟电泳沉积(EPD)后，将制备的Ni foam/CNTs电极在室温空气中干燥12小时，并储存在真空干燥器中。以Ni foam/CNTs为阴极，Ti/RuO2‑
Ir2O3为阳极本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于水处理的泡沫镍负载碳纳米管/铜电极的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)泡沫镍基体的预处理：将泡沫镍放入丙酮中超声除油20min，再置于0.5mol/L的硫酸溶液中酸洗5
‑
10min去除表面氧化物，最后在去离子水中超声10min冲洗，烘干备用；(2)电泳沉积碳纳米管：用面积相同的不锈钢电极作阳极；两电极垂直放置，彼此平行，距离为10毫米；配制浓度为4g/L的聚乙二醇溶液250mL，加入20mg碳纳米管CNTs，并在功率为400w的条件下超声分散15min，向80.0mg/L的碳纳米管悬浮液中加入0.4g Al2(SO4)3，因为沉积液中的CNTs会呈负电势，围绕在Al
3+
周围，在Al
3+
带动下以及在电场力的作用下向阴极表面沉积；在4
‑
12V电压下进行10分钟电泳沉积后，将制备的Ni...
【专利技术属性】
技术研发人员：秦侠，郭睿，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。