一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极及其制备方法与应用，该电极包括导电骨架和包裹在导电骨架上的气体扩散层，所述气体扩散层主要包括TiO2和石墨，TiO2负载在石墨表面，TiO2负载量为20～70％；在气体扩散层中有孔隙结构。本发明专利技术将TiO2负载在石墨表面，一定程度上替代了传统电芬顿体系中的Fe

A kind of TiO

The invention relates to a TiO

【技术实现步骤摘要】
一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极及其制备方法与应用，属于污水处理

技术介绍
电芬顿作为一种环境友好型高级氧化技术，能够高效的处理难生物降解的有机污染物。例如制药工业生产过程中排放的废水，这类污水具有毒性高、污染物浓度大而且难生物降解的特点，治理难度较大。现如今，传统的物理方法和生物方法很难满足对排放废水水质要求的指标。所以近年来水处理技术逐渐向化学方法转移，通过特定的化学反应使目标污染物降解并去除。电芬顿方法是以传统水处理技术芬顿氧化法为基础发展起来的一种新技术，具有适用范围广、氧化有机物彻底、不产生二次污染等特点，表现出了比较广泛的应用前景，因此逐渐成为水处理
的热门研究方向之一。虽然电芬顿被认为是一种有前途的环境修复技术，但它在应用中仍存在一些问题和困难。例如其氧气的利用效率较低(往往小于0.1％)，搅拌和曝气需要消耗过多能源等。气体扩散电极是改善氧气传输效率的一种常用装置，虽然气体扩散电极有优异的H2O2生成能力，但也存在一些弊端，如：长期运行稳定性不佳；传统的Fe2+/Fe3+催化体系中往往需要外加亚铁离子作为催化剂，而亚铁离子对于溶液pH变化很敏感；随着反应的进行，溶液中pH升高时，铁离子容易形成络合物，造成比较严重的损失；催化剂在溶液中以离子态存在，难以去除，从而增加了处理成本；而且固定态的铁催化剂如Fe3O4用作电极催化剂时，存在耐酸耐腐蚀性不强，化学性质不稳定等缺点。因此，开发一种性能高效，没有二次污染，化学性质稳定并且耐酸耐腐蚀的类电芬顿气体扩散工作阴极至关重要。中国专利文献CN105601003A公开了一种掺杂四氧化三铁@活性炭的气体扩散电极及其制备方法与应用，该电极包括导电骨架和包裹在骨架外侧的气体扩散层；所述气体扩散层包括组分四氧化三铁和活性炭。该专利技术还提供气体扩散电极的制备方法和应用。该专利技术将传统的Fe2+/Fe3+电芬顿催化剂以Fe3O4的形式固定在气体扩散电极表面，实现了过氧化氢在电极表面的原位生成与催化分解，减少了传质过程，提高了处理有机废水的效率。但是该气体扩散电极耐酸耐腐蚀性不强，化学稳定性及耐用性欠佳。中国专利文献CN105836855A公开了一种石墨烯气体扩散电极的制备方法，包括将鳞片石墨、NaNO3和浓硫酸在冰浴中混合，并与KMnO4缓慢反应后，再加入适量30％的H2O2充分反应，过滤，洗涤至中性后干燥。产物于水溶液中超声得到分散液，调节pH，离心后取上层稳定液，加入适量水合肼得到石墨烯分散液，该分散液与石墨粉、乙醇、聚四氟乙烯(PTFE)乳液混合均匀；恒温至该混合物呈粘稠的糊状时将其附着在不锈钢网上，烧结成石墨烯气体扩散电极。该专利技术在电-芬顿体系中氧化能力强，可用于各类含有机污染物废水的处理中。但是该工艺步骤繁琐，石墨烯制备成本较高。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极，用TiO2代替传统电芬顿体系中的Fe2+/Fe3+催化剂体系，降低损耗、降低成本的同时提升了电极的稳定性。本专利技术还提供所述TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极的制备方法与应用。术语说明：TiO2负载量，是指负载在石墨表面的TiO2与石墨粉和TiO2总质量的百分比。本专利技术的技术方案如下：一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极，包括导电骨架和包裹在导电骨架上的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层主要包括TiO2和石墨，TiO2负载在石墨表面，TiO2负载量为20～70％；在气体扩散层中有孔隙结构。本专利技术的气体扩散层材料中TiO2为催化剂，石墨作为TiO2的载体。根据本专利技术，优选的，所述气体扩散层中TiO2和石墨的总质量含量为70～90％；优选为80～90％；进一步优选为85％；优选的，所述气体扩散层中TiO2负载量为25～60％；进一步优选为40％。根据本专利技术，优选的，所述气体扩散层还包括组分乙炔黑；以此进一步提高气体扩散层的导电性能；所述乙炔黑与石墨质量比为(1～2)：(3～7)，优选乙炔黑与石墨质量比为1：(3～7)。所述气体扩散层是用膏状气体扩散层原料压制成的薄膜；优选的，将气体扩散层薄膜在压力下压制包裹所述的导电骨架。根据本专利技术，在气体扩散层中设置孔隙结构能够提高气体扩散层的透气性能，减小气体扩散的困难，对于改善气体扩散电极的综合性能有重要的作用。气体扩散层中的孔隙结构通过添加硫酸钠作为造孔剂，最后在50～70℃的去离子水中水洗去除硫酸钠得到孔隙结构。根据本专利技术，优选的，所述气体扩散层通过粘合剂将各原料组分粘合在一起；优选所述粘合剂为聚四氟乙烯乳液。根据本专利技术，优选的，所述导电骨架为金属网；优选所述导电骨架为不锈钢网；进一步优选的，所述不锈钢网的孔目数为50～70目。此设计的优势在于能够提高电极的稳定性。若不锈钢网孔目数较大，不锈钢网比较柔软，电极结构不稳定；孔目数较小，孔隙较大，不利于电极的压制成型。根据本专利技术，优选的，所述类电芬顿工作阴极的形状为圆柱状；优选的，所述圆柱的高为0.4cm，圆柱的半径为2.5cm。根据本专利技术，上述TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极的制备方法，包括步骤如下：(1)催化原料的制备(溶胶凝胶法)将钛酸丁酯溶于无水乙醇中，加入石墨粉，配成A溶液；将去离子水和硝酸加入无水乙醇中，配成B溶液；将B溶液逐滴加入A溶液中，直至反应体系成为不能流动的凝胶体系，得凝胶；将凝胶干燥，研磨、煅烧，得催化原料；(2)气体扩散层原料的制备将硫酸钠、乙炔黑与步骤(1)制备的催化原料混合于无水乙醇中，混合均匀；然后加入聚四氟乙烯乳液，超声混合均匀，得混合液；将混合液在70～80℃下搅拌，使无水乙醇不断蒸发，得到膏状物，即气体扩散层原料；制备膏状电极材料的搅拌温度为70～80℃，在该温度条件下有利于无水乙醇的挥发，同时能够避免较高的温度对制备电极整体性能的影响；(3)类电芬顿工作阴极的制备将气体扩散层原料压制成薄膜，将薄膜包裹导电骨架，压制得电极材料；将电极材料在50～70℃的去离子水中浸泡2～4h，期间每隔1h更换一次去离子水，然后在丙酮溶液中浸泡20～30h，经去离子水水洗，干燥，即得类电芬顿工作阴极。根据本专利技术，优选的，所述步骤(1)A溶液中钛酸丁酯、无水乙醇和石墨粉的质量比为(1～10)：(3～15)：1；优选的，所述步骤(1)A溶液中钛酸丁酯、无水乙醇和石墨粉的质量比为3：7：1。根据本专利技术，优选的，所述步骤(1)B溶液中去离子水、硝酸和无水乙醇的体积比为5：1：(35～50)；优选的，所述步骤(1)B溶液中去离子水、硝酸和无水乙醇的体积比为5：1：37.5。根据本专利技术，优选的，所述步骤(2)中的乙炔黑、硫酸钠、催化原料的质量比为(1～2)：(1～2)：10；优选的，所述步骤(2)中的乙炔黑、硫酸钠、催化原料的质量比为1：1：10。根据本专利技术，优选的，所述步骤(1)中煅烧时间为1～3h，煅烧温度为400～500℃；优选的，煅烧时间为2h，煅烧温度440～460℃。根据本专利技术，优选的，所述步骤(2)中聚四氟乙烯乳液中聚四氟乙烯的质量浓度为50％～70％；优选的，所述步骤(2)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TiO

【技术特征摘要】
1.一种TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极，包括导电骨架和包裹在导电骨架上的气体扩散层，其特征在于，所述气体扩散层主要包括TiO2和石墨，TiO2负载在石墨表面，TiO2负载量为20～70％；在气体扩散层中有孔隙结构。2.根据权利要求1所述的TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极，其特征在于，所述气体扩散层中TiO2和石墨的总质量含量为70～90％；优选为80～90％；进一步优选为85％；优选的，所述气体扩散层中TiO2负载量为25～60％；进一步优选为40％。3.一种权利要求1～2任一项所述的TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极的制备方法，包括步骤如下：(1)催化原料的制备(溶胶凝胶法)将钛酸丁酯溶于无水乙醇中，加入石墨粉，配成A溶液；将去离子水和硝酸加入无水乙醇中，配成B溶液；将B溶液逐滴加入A溶液中，直至反应体系成为不能流动的凝胶体系，得凝胶；将凝胶干燥，研磨、煅烧，得催化原料；(2)气体扩散层原料的制备将硫酸钠、乙炔黑与步骤(1)制备的催化原料混合于无水乙醇中，混合均匀；然后加入聚四氟乙烯乳液，超声混合均匀，得混合液；将混合液在70～80℃下搅拌，使无水乙醇不断蒸发，得到膏状物，即气体扩散层原料；(3)类电芬顿工作阴极的制备将气体扩散层原料压制成薄膜，将薄膜包裹导电骨架，压制得电极材料；将电极材料在50～70℃的去离子水中浸泡2～4h，期间每隔1h更换一次去离子水，然后在丙酮溶液中浸泡20～30h，经去离子水水洗，干燥，即得类电芬顿工作阴极。4.根据权利要求3所述的TiO2电催化活化过氧化氢的类电芬顿工作阴极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)A溶液中钛酸丁酯、无水...

【专利技术属性】
技术研发人员：高明明，肖鹏伟，王新华，张岩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37