本發(fā)明涉及廢水處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型電-芬頓陰極材料的制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著高級氧化技術(shù)的不斷發(fā)展，其在難降解污染物的處理中發(fā)揮越來越重要的作用。電-芬頓法作為高級氧化技術(shù)的一種，因其操作簡單、氧化能力強(qiáng)、降解效率高的特點受到人們的廣泛關(guān)注。該體系主要利用活性極強(qiáng)的?OH氧化去除水體中的有機(jī)污染物。目前電-芬頓系統(tǒng)所用的陰極材料主要有石墨、碳?xì)旨疤祭w維等，但仍存在比表面積小，H₂O₂產(chǎn)率不高，電流效率較低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述存在的問題，提供一種比表面積較高，可增加電子通過微孔結(jié)構(gòu)由溶液向電極表面的傳輸能力，增加對有機(jī)物吸附性，電催化性能好，具有良好的耐腐蝕性和重復(fù)利用性，從而提高降解效率，并且低能耗低成本的石墨烯氣凝膠電極。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下: 一種新型電-芬頓陰極材料的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟（1）：以天然鱗片石墨粉為原料，采用改進(jìn)的Hummer法制備氧化石墨溶液，然后再用超聲剝離制得氧化石墨烯溶液。

步驟（2）：將步驟1所得氧化石墨烯（GO）溶液用氨水調(diào)pH至9，和乙二胺（EDA）溶液按一定比例充分混合（GO:EDA 質(zhì)量比 = 1:5），再經(jīng)超聲波振蕩使其混合均勻，將所得的混合溶液放置95℃下反應(yīng)6h，取出得到石墨烯水凝膠。

步驟（3）：將步驟3所得石墨烯水凝膠用28%氨水在90℃下浸泡3 h，再用去離子水置換一周，預(yù)冷凍后放入真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍48 h，得到石墨烯氣凝膠電極。

采用上述技術(shù)方案制備的石墨烯氣凝膠電極作為陰極材料在電-芬頓體系中對有機(jī)染料廢水進(jìn)行處理的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果：

1.石墨烯是具有單原子厚度的二維碳原子晶體，具有優(yōu)異的電荷傳輸能力，使得后期制作所得石墨烯氣凝膠電極具有良好的導(dǎo)電性能。氣凝膠是具有高比表面積的多孔材料，使得后期制作的石墨烯氣凝膠電極具有高比表面積的特點。石墨烯氣凝膠電極是一種石墨烯基三維多孔材料，該電極具有良好的多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，且具有良好的吸附性能，有利于電子通過微孔結(jié)構(gòu)由溶液向電極表面的傳輸。若應(yīng)用于電-芬頓體系中，可以克服H₂O₂產(chǎn)率不高，電流效率較低等問題，能夠滿足對有機(jī)物廢水降解的要求。本發(fā)明制備的石墨烯氣凝膠電極方法簡單，由于石墨烯導(dǎo)電性好，形成的三維多孔的氣凝膠結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的電荷傳輸能力，氧化石墨烯表面疏水性使得石墨烯氣凝膠浸潤在水中不會變形，石墨烯氣凝膠的多孔結(jié)構(gòu)使其可實現(xiàn)快速的傳質(zhì)擴(kuò)散，高比表面積使得其作為電極具有良好的吸附性能，在這些特點的協(xié)同作用下高效產(chǎn)生自由基氧化廢水中有機(jī)物，從而可快速降解有機(jī)污染物。

2.本發(fā)明的石墨烯氣凝膠電極，所述石墨烯氣凝膠電極具有較高的比表面積，比表面積為944 m²/g。

3.本發(fā)明的石墨烯氣凝膠電極，所述石墨烯氣凝膠電極具有三維網(wǎng)狀多孔結(jié)構(gòu)，孔徑大小為4.41 nm。

附圖說明

圖1為實施例 1 所制備石墨烯氣凝膠電極的掃描電子顯微鏡（SEM）照片；

圖2為實施例 1 所制備石墨烯氣凝膠電極的氮氣吸附——脫附等溫線；

圖3為實施例 2 石墨烯氣凝膠電極在電-芬頓體系中對羅丹明B的降解圖。

圖4為實施例 2 石墨烯氣凝膠電極在電-芬頓體系中H₂O₂產(chǎn)量圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供的一種新型電-芬頓陰極材料的制備方法，該方法是先采用改進(jìn)的Hummer法制備氧化石墨烯, 將制得的氧化石墨烯溶液（GO）與乙二胺（EDA）按照GO:EDA質(zhì)量比 = 1:5充分混合，經(jīng)還原自組裝反應(yīng)后獲得石墨烯水凝膠，再用氨水水熱處理、去離子水置換處理、真空冷凍干燥后獲得三維多孔石墨烯氣凝膠。

實施例 ：一種新型電-芬頓陰極材料的制備方法，具體包括以下步驟：

步驟（1）：以天然鱗片石墨粉為原料，采用改進(jìn)的Hummer法制備氧化石墨溶液，然后再用超聲剝離制得氧化石墨烯溶液，具體方法如下：

改進(jìn)的Hummer法制備氧化石墨烯的具體工藝流程：稱取5 g天然鱗片石墨粉和2.5 g硝酸鈉添加到130 mL濃硫酸中，在冰浴條件下攪拌2 h。反應(yīng)完畢后緩慢加入15 g高錳酸鉀，并在冰浴下繼續(xù)反應(yīng)2 h。撤去冰浴，將上述反應(yīng)物轉(zhuǎn)移至35 ℃水浴中，反應(yīng)1 h，向上述反應(yīng)體系中緩慢加入230 mL去離子水，隨后升溫至98 ℃反應(yīng)30 min，加入400 mL去離子水及10 mL雙氧水，并攪拌1 h，冷卻后過濾用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的HCl溶液洗至無硫酸根，再用去離子水洗至PH=7，得到氧化石墨溶液，超聲分散直至混合均勻，制得質(zhì)量濃度為3 mg/mL的氧化石墨烯水溶液。

步驟（2）：還原自組裝反應(yīng)后獲得石墨烯水凝膠：將步驟（1）所得氧化石墨烯（GO）溶液用氨水調(diào)PH = 9，和乙二胺（EDA）溶液按一定比例充分混合（GO:EDA 質(zhì)量比 = 1:5），再經(jīng)超聲波振蕩使其混合均勻；將所得的混合溶液放置95℃下反應(yīng)6 h，取出得到石墨烯水凝膠。

步驟（3）：將步驟3所得石墨烯水凝膠用28%氨水在90℃下浸泡3 h，再用去離子水置換一周，預(yù)冷凍后放入真空冷凍干燥機(jī)內(nèi)冷凍48 h，得到石墨烯氣凝膠電極。

參考圖1，可以看到石墨烯氣凝膠電極具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu)；

參考圖2，可以看到石墨烯氣凝膠電極具有高比表面積和孔體積。

上述制備方法所得的石墨烯氣凝膠電極應(yīng)用在電-芬頓體系中降解羅丹明B：

將該電極用于電-芬頓體系降解裝置中，采用羅丹明B模擬有機(jī)廢水，石墨烯氣凝膠電極為陰極，鉑片為陽極，采用直流電源供應(yīng)器提供所需的電流，控制恒電位電流為7.5 ~ 75 mA，上述方法中相關(guān)的工藝參數(shù)：水樣處理體積為50 mL，濃度為10 mg/L，電極面積為1.5 cm²（長1.5 cm，寬1 cm），F(xiàn)e²⁺濃度為15 mmol/L，電解質(zhì)（無水NaSO₄）濃度為1 mol/L，電極間距保持在2 cm，處理時間為30 min，全程曝氣。

在同樣的反應(yīng)條件下，分別與石墨、碳?xì)肿鳛殛帢O材料的降解效率進(jìn)行比較，石墨烯氣凝膠電極作為陰極材料的降解效率最好，產(chǎn)生過氧化氫最多。

參考圖3，可以看到30 min后，石墨烯氣凝膠電極用于電-芬頓系統(tǒng)中降解羅丹明B，其降解率可達(dá)97.64%，石墨烯氣體擴(kuò)散電極降解率達(dá)到79.06%，石墨電極降解率達(dá)到76.62%，石墨烯氣凝膠降解率明顯優(yōu)于另外兩個電極。

參考圖4，可以看到石墨烯氣凝膠電極用于電-芬頓系統(tǒng)中H₂O₂產(chǎn)量可達(dá)6.31 mg/L，碳?xì)挚蛇_(dá)2.96 mg/L，石墨電極可達(dá)2.37 mg/L，石墨烯氣凝膠產(chǎn)氫量明顯高于另外兩種電極。