BN负载掺杂改性金属氧化物的电化学催化剂制备及应用制造技术

本发明专利技术涉及一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂及其制备方法与应用，目的是解决现有技术中使用碳毡等碳材料作为载体时，存在的高电压下碳基载体易发生氧化解析、电极负载活性物质较少以及在电解质溶液中金属离子析出等问题。本发明专利技术的电化学催化剂的制备方法，是以BN纤维预处理后得到的导电无机材料作为载体，然后将活性组分包括过渡金属盐和非金属杂原子通过溶胶凝胶法分散到所述的BN导电载体表面，然后经真空干燥、在保护气氛围下高温煅烧等步骤而获得。本发明专利技术的电催化剂用于氧化废水中难降解有机物，具有操作过程方便，反应进程易于控制的特点。控制的特点。

【技术实现步骤摘要】
BN负载掺杂改性金属氧化物的电化学催化剂制备及应用


[0001]本专利技术属于电催化化学
，尤其是涉及一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]染料是一种化学结构复杂的有机芳香族化合物，通常具有高毒性和难降解性。有机染料进入水体后，会破坏水体生态平衡，危及水生生物的生存。并可以随水迁移到土壤和地下水中，在迁移过程中会分解或与环境中的其他物质发生反应，产生许多有毒有害物质对生态系统和人类健康造成巨大破坏。因此，开发经济有效的废水处理催化剂被广泛关注。
[0003]电催化氧化技术是在常温常压下通过外加电场的作用，在阳极表面直接氧化或原位生成具有强氧化活性的活性氧物种，从而将染料废水中有机物氧化为CO2和H2O，具有反应条件温和经济、环境友好、易于调控等特点。过渡金属氧化物(尖晶石、钙钛矿等)，具有高电化学稳定性、原料廉价易得等特点，且由于金属阳离子间电子转移活化能较低、导电性高，近年来被广泛应用于电催化领域。将杂原子掺杂到过渡金属氧化物电催化剂中，能够改善催化中心的导电性并优化催化过程中反应物和中间体的吸脱附，改性催化剂的电子构型、增加活性位点的数目，可以克服过渡金属氧化物基电催化剂的电催化活性差以及活性位点数量有限问题，提高催化活性。
[0004]中国专利CN108311151A通过模板法制备空心结构的NiCo水滑石，经与铁氰化钾进行离子交换得到NiCo
‑
NiFe(CN)6水滑石，再通过还原焙烧得到基于镍铁合金/镍钴氧化物二元复合材料的析氧电催化剂，使用时将二元复合材料与导电剂炔黑混合均匀后加入Nafion溶液，混合均匀后涂覆于导电碳纸集流体上，室温下干燥得到电极，该电极制备过程复杂且负载量较少。中国专利CN107973352A公开了一种铁/铜双金属氧化物降解四环素的方法，但是经过5次循环反应后，催化剂中活性过渡金属就大量溶解流失，催化剂的催化性能很快降低。目前专利报道中多使用碳毡等碳材料作为载体，高电压下易发生氧化解析，另外存在电极负载活性物质较少以及在电解质溶液中金属离子析出等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了解决现有技术中使用碳毡等碳材料作为载体时，存在的高电压下碳基载体易发生氧化解析，另外电极负载活性物质较少以及在电解质溶液中金属离子析出等问题，提供一种BN负载过渡金属氧化物的电催化剂及其制备方法。
[0006]本专利技术的BN负载掺杂改性金属氧化物的电化学催化剂，是以BN纤维预处理后得到的导电无机材料作为载体，然后将活性组分包括过渡金属盐和非金属杂原子通过溶胶凝胶法分散到所述的BN导电载体表面，然后经真空干燥、在保护气氛围下高温煅烧等步骤而获得掺杂改性过渡金属氧化物的电催化剂；其中，所述过渡金属盐选自镍盐、铁盐、铬盐、钴盐、铜盐、锌盐的一种或者几种的组合物；所述非金属杂原子为S、B、P、N中的一种或几种。
[0007]本专利技术的电催化剂的制备方法是在常温常压及电场作用下，由改性氮化硼(BN)纤
维提供支撑导电作用，通过溶胶凝胶合成方法使金属离子负载到BN纤维中，从而防止因活性组分过渡金属元素在反应过程中脱落而降低催化剂的电催化性能。同时，本专利技术的方法提供的催化剂，在应用过程，利用过渡金属氧化物催化剂产生的强氧化基团作为氧化剂，氧化废水中难降解有机物，使用过程中操作方便、反应进程易于控制，且原料成本低廉。
[0008]本专利技术的方法中，所采用的BN纤维是由氮原子和硼原子所构成的一种直径4～6μm、熔点300℃、强度约2GPa、模量340～350GPa的白色松散粉末。与其他无机非金属纤维相比，BN纤维具有耐高温、耐化学腐蚀、电热性能好、耐辐射等优良特性，并且其抗氧化温度比碳纤维、硼纤维的高，在氧化气氛中，850℃仍是稳定的，而在惰性条件下，2500℃以上仍保持稳定。因此，这也是本专利技术的方法中选择氮化硼(BN)纤维作为导电载体的原因。
[0009]本专利技术的更为详细的技术方案如下：
[0010]一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0011]S1，BN纤维预处理制备导电载体；
[0012]S2，配制含有活性组分的溶胶凝胶溶液，活性组分包括过渡金属盐和非金属杂原子；
[0013]S3，将溶胶凝胶溶液超声分散到BN导电载体；
[0014]S4，真空干燥；
[0015]S5，重复步骤3和步骤4至凝胶溶液完全负载至BN导电载体；
[0016]S6，在保护气氛围下高温煅烧获得过渡金属氧化物电催化剂；
[0017]所述过渡金属盐选自镍盐、铁盐、铬盐、钴盐、铜盐、锌盐的一种或者几种的组合物；
[0018]所述非金属杂原子为S、B、P、N中的一种或几种。
[0019]所述保护气为氮气、氢气、氩气、氦气中的一种或几种。
[0020]进一步地，步骤1所述的BN纤维预处理的步骤具体为：将BN纤维放入盛有浓硫酸溶液的反应釜中，80
‑
150℃条件下反应2
‑
6h；冷却后用去离子水反复冲洗至中性，置于烘箱干燥。
[0021]进一步地，步骤2所述的配制活性组分溶胶凝胶溶液的步骤具体如下：
[0022]1)在60
‑
100℃的操作温度下，将过渡金属盐溶于DMF与H2O的混合溶液中，使得溶液中过渡金属浓度为0.01
‑
0.1mol/L；
[0023]2)将聚乙二醇
‑
2000溶液逐滴滴加至上述过渡金属的盐溶液中，充分搅拌至粘液状；
[0024]3)将含有非金属杂原子的盐类按0.1wt％
‑
3wt％比例掺杂到步骤2)所述的粘液中，得到含有活性组分溶胶凝胶溶液。
[0025]进一步地，步骤3所述的将溶胶凝胶溶液超声分散到BN载体操作步骤中，超声时间为20
‑
60min。
[0026]进一步地，步骤4所述的真空干燥的温度为60
‑
80℃，保温时间为1
‑
3h。
[0027]进一步地，步骤6中煅烧温度为350
‑
750℃，升温速率为2
‑
5℃/min，煅烧时间为3
‑
6h。
[0028]一种上述的BN负载过渡金属氧化物电催化剂的制备方法制得的过渡金属氧化物电催化剂及其在催化降解有机废水中的应用。优选的应用条件为：使用铂电极夹固定所述
BN负载过渡金属氧化物电催化剂材料作为工作电极阳极，铂片作为阴极，电解质溶液采用浓度为0.1
‑
0.5mol/LNa2SO4溶液，两电极恒电压降解有机废水。
[0029]本专利技术的BN负载过渡金属氧化物电催化剂在应用过程中，有机废水溶液初始浓度优选为30
‑
70mg/L。
[0030]一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂，其是由过渡金属盐负载于预处理的三维导电载体，经过溶胶凝胶合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种BN负载掺杂改性金属氧化物电化学催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，BN纤维预处理制备导电载体；S2，配制含有活性组分的溶胶凝胶溶液，活性组分包括过渡金属盐和非金属杂原子；S3，将溶胶凝胶溶液超声分散到BN导电载体；S4，真空干燥；S5，重复步骤3和步骤4至凝胶溶液完全负载至BN导电载体；S6，在保护气氛围下高温煅烧获得过渡金属氧化物电催化剂；所述过渡金属盐选自镍盐、铁盐、铬盐、钴盐、铜盐、锌盐的一种或者几种的组合物；所述非金属杂原子为S、B、P、N中的一种或几种；所述保护气为氮气、氢气、氩气、氦气中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的BN纤维预处理的步骤具体为：将BN纤维放入盛有浓硫酸溶液的反应釜中，80
‑
150℃条件下反应2
‑
6h；冷却后用去离子水反复冲洗至中性，置于烘箱干燥。3.根据权利要求1所述的一种BN负载过渡金属氧化物电催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2所述的配制活性组分溶胶凝胶溶液的步骤具体如下：1)在60
‑
100℃的操作温度下，将过渡金属盐溶于DMF与H2O的混合溶液中，使得溶液中过渡金属浓度为0.01
‑
0.1mol/L；2)将聚乙二醇
‑
2000溶液逐滴滴加至上述过渡金属的盐溶液中，充分搅拌至粘液状；3)将含有非金属杂原子的盐类按0.1wt％
...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁传敏，陈海洁，姚懿轩，吕岩，闫妍琼，王明义，王俊文，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：