一种三维多孔无金属电极、其制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及电催化修复环境污染技术领域，尤其涉及一种三维多孔无金属电极、其制备方法及应用。本发明专利技术提供了一种三维多孔无金属电极由三聚氰胺泡沫经前驱体溶液浸渍后，进行冷冻干燥和热解制备得到；所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；所述含氮化合物和含硼化合物的摩尔比为10～80：1。与现有技术相比，本发明专利技术制备的电极材料可通过强化传质过程及电荷分布调控策略提高有机污染物的降解效率，无金属的电芬顿过程体现其反应体系的环境友好特性。好特性。

【技术实现步骤摘要】
一种三维多孔无金属电极、其制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及电催化修复环境污染
，尤其涉及一种三维多孔无金属电极、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]高毒性、难降解的有机污染物排放进入水体后对生态环境和人类生活带来种种不利影响。目前利用高级氧化技术降解水体中有机污染物成为广泛关注的热点，对于解决我国环境水体污染问题具有重要意义。其中，电芬顿降解有机废水因为具有安全易操作，绿色高效等优势在众多技术中脱颖而出。
[0003]电芬顿能够在阴极发生两电子氧还原反应(2e
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ORR)原位产生H2O2，通过活性位点使得H2O2的催化反应获得含量丰富的活性自由基对有机污染物进行高效矿化去除。对电芬顿技术而言，如何将固相反应活性位点有效锚定于操作简单、易于回收的电极上，实现高效的催化反应过程是制备电芬顿电极材料的一大核心问题。同时，环境友好型的制备路径及成本管控也是满足实际环境应用需求及经济社会绿色发展的关键要素。
[0004]目前，电极类的电芬顿材料主要有以下几种：(1)利用聚合物粘结剂将纳米催化剂涂覆于导电基底表面制备电极；(2)催化活性相原位生长在导电基底表面制备自支撑电极。然而，上述电极材料的反应活性相多锚定于电极表面，分布具有局限性，且受基底表面官能团特性、孔隙度及导电性等物理化学性质影响，活性位点的传质扩散过程受到一定限制。在导电基底为支撑的电极材料制备基础上，Zhao等以间苯二酚、甲醛等为原料利用凝胶
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溶胶、溶剂交换、热解及气体活化处理等方法制备具有三维结构的块状FeCuC气凝胶电极用于电芬顿治理染料废水(Zhao H,Qian L,Guan X,et al.Continuous Bulk FeCuC Aerogel with Ultradispersed Metal Nanoparticles:An Efficient 3DHeterogeneous Electro
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Fenton Cathode over a Wide Range of pH 3
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9[J].Environmental Science&Technology,2016,50(10):5225
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5233)。Zhang等利用Fe3O4/AC与聚四氟乙烯乳化液、醇类等前驱体在加热过程中发生的复杂交联反应成功制备整体式Fe3O4/气体扩散电极用于电芬顿降解四环素(Zhang Y,Gao M,Wang S,et al.Integrated electro
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Fenton process enabled by a rotating Fe3O4/gas diffusion cathode for simultaneous generation and activation of H2O2[J].Electrochimica Acta,2017,231:694
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704)。上述整体式的三维电极材料摆脱了导电基底的束缚，具有较低的界面电荷转移电阻、高比表面积和多孔结构展现出优良的电芬顿催化活性。然而，电极体相内孔道调控的局限性、活性组分的团聚掩蔽、制备方法繁琐、传统金属活性组分的流失以及二次污染等缺点阻碍其在环境领域的应用。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种三维多孔无金属电极、其制备方法及应用，所述三维多孔无金属电极可以提高有机污染物的降解效率。
[0006]本专利技术提供了一种三维多孔无金属电极，由三聚氰胺泡沫经前驱体溶液浸渍后，进行冷冻干燥和热解制备得到；
[0007]所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；
[0008]所述含氮化合物和含硼化合物的摩尔比为10～80：1。
[0009]优选的，所述含氮化合物包括聚乙烯吡咯烷酮、尿素、苯胺，叔丁胺、三聚氰胺，双氰胺、氯化铵，碳酸铵和壳聚糖中的至少一种；
[0010]所述含硼化合物包括硼酸、硼砂，三氧化二硼、硼烷，硼氢化钠、三苯基环硼氧烷、硼酸三乙酯和3
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氨基苯硼酸中的至少一种。
[0011]优选的，所述前驱体溶液中的溶剂为超纯水。
[0012]本专利技术还提供了一种上文所述的三维多孔无金属电极的制备方法，包括以下步骤：
[0013]A)将三聚氰胺泡沫浸渍于前驱体溶液中一段时间；所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；
[0014]B)将所述浸渍后的三聚氰胺泡沫预冷冻后，进行冷冻干燥；
[0015]C)将所述冷冻干燥后的三聚氰胺泡沫在惰性气体的气氛中进行热解处理，得到三维多孔无金属电极。
[0016]优选的，步骤A)中，所述浸渍的温度是室温，时间为10～20min。
[0017]优选的，步骤B)中，所述预冷冻的温度为
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78～
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82℃，时间为6～10h；
[0018]所述冷冻干燥的温度为
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70～
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50℃，时间为55～65h。
[0019]优选的，步骤C)中，所述惰性气体为氮气。
[0020]优选的，步骤C)中，所述热解处理的温度为850～950℃，时间为1.5～2.5h；
[0021]所述冷冻干燥后的三聚氰胺泡沫在惰性气体的气氛中升温至热解处理温度的升温速率为4～6℃/min。
[0022]本专利技术还提供了一种上文所述的三维多孔无金属电极或上文所述的制备方法制得的三维多孔无金属电极作为电芬顿阴极在废水处理中的应用。
[0023]本专利技术提供了一种三维多孔无金属电极，由三聚氰胺泡沫经前驱体溶液浸渍后，进行冷冻干燥和热解制备得到；所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；所述含氮化合物和含硼化合物的摩尔比为10～80：1。与现有技术相比，本专利技术制备的电极材料可通过强化传质过程及电荷分布调控策略提高有机污染物的降解效率，无金属的电芬顿过程体现其反应体系的环境友好特性。
附图说明
[0024]图1为本专利技术对比例1的初始三聚氰胺泡沫的SEM图；
[0025]图2为本专利技术对比例1的CF电极的SEM图；
[0026]图3为本专利技术对比例2的N/CF电极的SEM图；
[0027]图4为本专利技术实施例1的NB/CF电极的SEM图；
[0028]图5为本专利技术实施例1的NB/CF电极的XPS图；
[0029]图6为本专利技术对比例3的NB/CF1电极的SEM图；
[0030]图7为本专利技术实施例2的NB/CF2电极的SEM图；
[0031]图8为本专利技术实施例3的NB/CF3电极的SEM图；
[0032]图9为本专利技术对比例4的NB/CF4电极的SEM图；
[0033]图10为本专利技术实施例1～3和对比例1～4制备的电极的XRD图；
[0034]图11为本专利技术实施例1～3和对比例1～4制备的电极的电芬顿催化性能图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维多孔无金属电极，其特征在于，由三聚氰胺泡沫经前驱体溶液浸渍后，进行冷冻干燥和热解制备得到；所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；所述含氮化合物和含硼化合物的摩尔比为10～80：1。2.根据权利要求1所述的三维多孔无金属电极，其特征在于，所述含氮化合物包括聚乙烯吡咯烷酮、尿素、苯胺，叔丁胺、三聚氰胺，双氰胺、氯化铵，碳酸铵和壳聚糖中的至少一种；所述含硼化合物包括硼酸、硼砂，三氧化二硼、硼烷，硼氢化钠、三苯基环硼氧烷、硼酸三乙酯和3
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氨基苯硼酸中的至少一种。3.根据权利要求1所述的三维多孔无金属电极，其特征在于，所述前驱体溶液中的溶剂为超纯水。4.权利要求1～3任意一项所述的三维多孔无金属电极的制备方法，包括以下步骤：A)将三聚氰胺泡沫浸渍于前驱体溶液中一段时间；所述前驱体溶液中包括含氮化合物和含硼化合物；B)将所述浸渍后的三聚氰胺泡沫预冷冻后，进行冷冻干燥；C)将所述冷冻干燥后的三聚氰胺泡沫在惰性气体的气氛中进行热...

【专利技术属性】
技术研发人员：董培，赵朝成，赵恒，鲁明洁，马小林，徐振展，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：