一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法技术

本发明专利技术涉及环境污染控制领域，特别是涉及了一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法。本发明专利技术包括如下步骤，加工具有缺陷态结构的电化学电极材料，然后通过Na

【技术实现步骤摘要】
一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法
本专利技术涉及环境污染控制领域，特别是涉及了一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法。
技术介绍
电化学方法是一种处理废水中有机污染物的常见高级氧化技术。该方法是当今高浓度有机污废水以及二级生化出水处理的研究热点。电化学方法处理废水的基本机理是在电化学作用下，在电解池中产生强氧化物质(·OH、H2O2、·O2等)，与污废水中的有机污染物发生直接氧化和间接氧化反应，将高浓度、难生物降解的大分子有机物分解成为易生物降解的小分子有机物，甚至将其完全矿化为CO2和H2O等无机物。电化学装置都是由正负金属极板组成的电解反应槽，其中电极是电化学技术的核心部件，一般是在金属极板上涂覆具有催化活性的金属氧化物，这些金属氧化物在施加阳极电势的过程中，可以产生大量的强氧化性自由基，可降解废水中的难降解、大分子有机污染物，并最终实现有机污染物的彻底矿化。目前常见的工业电极主要包括贵金属电极、氧化锡电极、氧化铅电极等，目前存在比表面积小、时空处理量低、电流效率低、能耗大、造价高等缺点，处理废水效果不理想。另一方面，电催化的无差别降解污染物的能力是电化学技术的优势，但同时也导致水中无论难降解还是易降解的有机物都会无选择性地消耗阳极电催化产生的氧化性自由基，导致电流的法拉第效率过低，能耗居高不下。为了调控电极的催化选择性，使之可以更加高效用于目标污染物的降解，很多研究工作者提供了解决方案。专利201811551757.4提供了一种掺硼金刚石薄膜及其制备方法，在掺硼金刚石薄膜表面构建了荷叶状的多级次微纳结构，形成仿生超疏水表面，兼顾了过滤和电催化净化水的功能，可以有效调控电催化的氧化性能，但该技术是基于掺硼金刚石薄膜开发的，成本较高，实现难度较大；专利201810372477.0公开了一种用于提高有机废水处理效果的电解方法，通过将调控材料填充入电解池中发泡成型，使电解池中的电场均匀分布，以较低成本/较好效果实现了有机废水的可絮凝化。该技术更强调水中污染物的絮凝化处理，但对电催化电极的调控程度有限；专利200810103518.2制备出具有P-N结特性的可高效处理水中有机污染物的N-型TiO2/P-型掺硼金刚石薄膜(BDD)BDD-TiO2电极，通过调控P-N结特性，通过施加一定的外加电压和紫外光辐照，可有效调控水中污染物的降解特性，但水中的污染物类型过于复杂，难以通过光电复合的方法实现彻底的降解，调控的方法和手段也比较有限。
技术实现思路
本专利技术是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本专利技术的目的在于提供一种基于惰性离子插层有效调控电催化活性的方法。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案，一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，以原位还原法制备缺陷态电极，即将表面带有金属氧化物膜的金属电极置于电解池中作为阴极，石墨电极作为阳极，以直流脉冲电源阴极还原对金属电极进行处理，使氧化膜造孔并形成层状缺陷态结构，形成缺陷态电极；步骤2，对缺陷态电极进行膨胀化处理，即以缺陷态电极作为阳极，石墨电极作为阴极，电解池中加入高浓度惰性金属盐、硫酸、氟化钾、三乙胺、硫氰化钾作为电解质，以直流脉冲电源阳极氧化激活硫氰化钾的插层效果，使缺陷态电极的层间结构膨胀为后续的阳离子插层创造条件；步骤3，阳离子插层，即调换阴阳极位置，以缺陷态电极为阴极，以石墨电极为阳极，施加大阴极还原电流，使不同类型的金属阳离子插入到缺陷态电极的层间结构内部，持续重复上述工艺步骤实现不同浓度不同类型离子的连续插入，并精确调控电极的选择性和氧化还原能力。在上述技术方案的基础上，进一步地，限定步骤1中所述的金属氧化物膜的材质可以为氧化铈、氧化铝、氧化硅、氧化铜之一种，直流脉冲电源阴极还原电流密度为0.5～10mA/cm2，脉冲处理时间为5～10分钟；在上述技术方案的基础上，进一步地，限定步骤2中所述的高浓度惰性金属盐可以为硫酸钠、硫酸钾、硝酸钙、硝酸镁之一种，电解质中多种配方的摩尔浓度为惰性金属盐1摩尔/升、硫酸0.5摩尔/升、氟化钾0.02摩尔/升、三乙胺0.1摩尔/升、硫氰化钾0.22摩尔/升；直流脉冲电源养护氧化的电流密度为100mA/cm2，脉冲处理时间为10～30秒。在上述技术方案的基础上，进一步地，限定步骤3中，阴极还原电流为0.2～1.0mA/cm2，脉冲处理时间为12～24小时。下面对技术方案的实施方式进行解释，缺陷态电极是传统金属氧化物电极中的一种新兴产品，金属氧化物薄膜中的两种常见的缺陷包括即表面和晶界缺陷，这些缺陷对电催化活性具有较高的调控能力。研究发现晶界缺陷对薄膜的电化学性能影响更甚，是影响载流子传输动力学以及导致电化学活性变化的主要原因。层间结构膨胀是指缺陷态电极表面的一种特殊形式，电极表面指层板上的原子以强烈的共价键相互作用，层间以分子间力作用的层状或层柱状化学物质，构成较大的层间空腔结构，这些空隙较大，可以容纳较多的阴阳离子并捕获电子，使之与电解质阴阳离子间构成极强的静电吸引作用，导致电子逃逸势垒增大，从而增加了载流子的传输阻力，调控氧化性活性中心的复合几率，从而实现对污染物吸附、电子传递、电化学氧化的选择性和活性的调控。本专利技术以传统污废水中常见的阳离子为电极调控手段，在控制高盐有机废水时具有突出的处理效果，主要优势在于：1、该方法调控的对象为成本低廉、加工方法简单的金属氧化物电催化电极，具有较高可行性；2、该方法省去了传统电极调控活性时常采用的共沉淀掺杂焙烧等工艺，操作简单；3、该方法可实现多种不同惰性金属离子的掺杂，对掺杂浓度和掺杂程度可控可调；4、该方法调控的电极可耐受较高的盐度和污染物浓度，适应性强，范围广；5、该方法可实现高盐废水的处理，并可借助高盐废水中富含的阴阳离子调控电极的催化能力和选择性。附图说明为更清楚地说明本专利技术的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。图1为缺陷态电极中表面插层结构的扫描电子显微镜图；图2将惰性金属离子插入到缺陷态电极表面插层结构中的原理示意图；其中1为脉冲直流电源；2为基础电极；3为金属氧化物膜形成的层状结构；4为电解质；5为电解质溶液中和插入层状结构的惰性金属阳离子；图3是不同类型惰性金属离子调控后，电极对硝酸盐还原过程的选择性变化。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本专利技术的具体的实施方式进行详细描述。实施例1首先将表面带有氧化铈膜的不锈钢电极置于电解池中作为阴极，石墨电极作为阳极，将直流脉冲电源的正负极分别连接阴阳两极，设置脉冲电流密度为0.5mA/cm2，启动电源对金属电极进行处理，连续处理5分钟，使氧化膜适度造孔并形成层状缺陷态结构，形成缺陷态电极；下一步对缺陷态电极进行膨胀化处理，以缺陷态电极作为阳极，石墨电极作为阴极，电解池中加入硫酸钠1摩尔/升、硫酸0.5摩尔/升、氟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法，其特征在于包括如下步骤：/n步骤1，以原位还原法制备缺陷态电极，即将表面带有金属氧化物膜的金属电极置于电解池中作为阴极，石墨电极作为阳极，以直流脉冲电源阴极还原对金属电极进行处理，使氧化膜造孔并形成层状缺陷态结构，形成缺陷态电极；/n步骤2，对缺陷态电极进行膨胀化处理，即以缺陷态电极作为阳极，石墨电极作为阴极，电解池中加入高浓度惰性金属盐、硫酸、氟化钾、三乙胺、硫氰化钾作为电解质，以直流脉冲电源阳极氧化激活硫氰化钾的插层效果，使缺陷态电极的层间结构膨胀为后续的阳离子插层创造条件；/n步骤3，阳离子插层，即调换阴阳极位置，以缺陷态电极为阴极，以石墨电极为阳极，施加大阴极还原电流，使不同类型的金属阳离子插入到缺陷态电极的层间结构内部，持续重复上述工艺步骤实现不同浓度不同类型离子的连续插入，并精确调控电极的选择性和氧化还原能力。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于惰性离子插层的电催化活性调控方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1，以原位还原法制备缺陷态电极，即将表面带有金属氧化物膜的金属电极置于电解池中作为阴极，石墨电极作为阳极，以直流脉冲电源阴极还原对金属电极进行处理，使氧化膜造孔并形成层状缺陷态结构，形成缺陷态电极；
步骤2，对缺陷态电极进行膨胀化处理，即以缺陷态电极作为阳极，石墨电极作为阴极，电解池中加入高浓度惰性金属盐、硫酸、氟化钾、三乙胺、硫氰化钾作为电解质，以直流脉冲电源阳极氧化激活硫氰化钾的插层效果，使缺陷态电极的层间结构膨胀为后续的阳离子插层创造条件；
步骤3，阳离子插层，即调换阴阳极位置，以缺陷态电极为阴极，以石墨电极为阳极，施加大阴极还原电流，使不同类型的金属阳离子插入到缺陷态电极的层间结构内部，持续重复上述工艺步骤实现不同浓度不同类型离子的连续插入，并精确调控电极的选择性和氧化还原能力。


...

【专利技术属性】
技术研发人员：殷立峰，代云容，张圆正，刘双，段存戌，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京;11