專利名稱：一種應(yīng)用于電芬頓體系的石墨氈材料的改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電催化陰極材料的改性領(lǐng)域，更具體的說是一種應(yīng)用于電芬頓體系的石墨氈材料的改性方法。
背景技術(shù)：
電芬頓(Electro-Fenton, EF)技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代,是近些年來發(fā)展的一種新型的水處理電化學(xué)高級(jí)氧化技術(shù)，在難降解有機(jī)污染物的處理方面顯示了較好的應(yīng)用前景。電芬頓法基于分子氧(O2)在陰極還原為過氧化氫(H2O2)并與亞鐵離子(Fe2+)反應(yīng)生成具有強(qiáng)氧化性的羥基自由基(· 0H)，從而實(shí)現(xiàn)污染物的氧化降解過程。與傳統(tǒng)的化學(xué)芬頓法相比，電芬頓技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)陰極原位產(chǎn)生H2O2，有效的避免了其在運(yùn)輸、儲(chǔ)存方面的安全與經(jīng)濟(jì)成本等問題，并可以將反應(yīng)過程中產(chǎn)生的三價(jià)鐵離子原位還原，減少了鐵泥的產(chǎn)生。 在電芬頓體系中，如何提高H2O2的產(chǎn)率是制約其處理效果的重要因素，而陰極材料被認(rèn)為是高效生產(chǎn)H2O2的關(guān)鍵。碳材料是研究應(yīng)用最多的一類陰極材料，具有無毒、析氫電位高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)和導(dǎo)電性好等優(yōu)勢(shì)。其中，石墨氈材料的比表面積大，機(jī)械強(qiáng)度好，且已實(shí)現(xiàn)商品化，簡(jiǎn)單易得，是一種實(shí)際應(yīng)用前景良好的陰極材料。相關(guān)研究可見
(I)M. Panizza, M. A. Oturan. Electrochimi. Acta, 2011, 56 :7084-7087 ； (2)M. Zhou, Q. Tan,Q. Wang, et al. J. Hazard. Mater. 2012，215-216 :287_293。但是，由于石墨氈材料表面親水性差，電化學(xué)活性不好，電催化生產(chǎn)H2O2的產(chǎn)量不高，制約了其在電芬頓體系中的應(yīng)用，因此開發(fā)一種簡(jiǎn)單易行且能夠顯著提高石墨氈電極催化活性的改性方法對(duì)于其在電芬頓技術(shù)中的應(yīng)用推廣具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于電芬頓體系的石墨氈材料的改性方法。本發(fā)明應(yīng)用于電芬頓體系的石墨氈材料的改性方法，其特征在于具有以下操作步驟(I)將石墨氈材料浸于丙酮溶液中進(jìn)行去油處理，浸泡時(shí)間為12 24h，獲得去油處理后的石墨氈材料，之后將其用去離子水超聲清洗數(shù)次直至去除殘余丙酮，將材料靜置風(fēng)干，獲得預(yù)處理后的石墨租材料；(2)將步驟(I)中得到的石墨氈材料浸入無水乙醇中，在40 80°C恒溫條件下水浴加熱4 8h，獲得溶液化學(xué)處理后的石墨氈材料；(3)將步驟⑵中得到的石墨氈材料取出，并置于馬弗爐中100 200°C退火處理2 4h，即得到所述的改性石墨氈材料。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是改性后石墨氈材料表面原位負(fù)載碳納米顆粒，有利于增大比表面積，增加反應(yīng)活性位點(diǎn)；原位生成的碳納米顆粒表面具有更豐富的親水基團(tuán)，在水溶液環(huán)境中有利于電極材料表面的界面?zhèn)髻|(zhì)過程；本方法操作簡(jiǎn)單，易于推廣應(yīng)用。


圖I為本發(fā)明應(yīng)用前后石墨氈材料表面的掃描電鏡圖；圖2為本發(fā)明應(yīng)用前后石墨氈材料表面的拉曼圖譜；圖3為本發(fā)明應(yīng)用前后石墨氈材料作為陰極的循環(huán)伏安圖；圖4為本發(fā)明應(yīng)用前后石墨氈材料應(yīng)用于電芬頓體系處理對(duì)硝基苯酚的效率圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通過以下實(shí)施例結(jié)合附圖進(jìn)一步詳述。(I)石墨氈材料的改性方法 將裁減好的石墨租材料(5cmX2cmX0. 5cm)浸于丙酮溶液中進(jìn)行去油處理,浸泡時(shí)間為12h，取出后在去離子水中超聲清洗數(shù)次直至去除殘余丙酮，之后將材料靜置風(fēng)干，作為預(yù)處理的石墨氈備用；將預(yù)處理的石墨氈浸入IOOmL無水乙醇中，在60°C恒溫條件下水浴加熱6h，之后置于馬弗爐中150°C退火處理2h，即得到所述的改性石墨氈材料。(2)該實(shí)施例獲得的產(chǎn)物的電化學(xué)性能該實(shí)施例獲得的改性石墨氈材料的SEM圖如圖Ia所示，作為對(duì)照，預(yù)處理的石墨氈材料的SEM圖如圖Ib所示，可以看出實(shí)施例所得材料表面負(fù)載有大量碳納米顆粒，增大了材料的比表面積，增加了材料的反應(yīng)活性位點(diǎn)。原位負(fù)載的碳納米顆粒表面具有更豐富的親水基團(tuán)，接觸角由原來的141°下降至123°，在水溶液環(huán)境中有利于材料表面的界面?zhèn)髻|(zhì)過程。該實(shí)施例獲得的石墨氈材料的拉曼位移如圖2所示，可以看到典型的D峰(1350cm-1左右，石墨碳晶態(tài)邊緣的振動(dòng))和G峰(ΙΘΟΟαιΓ1左右，體相晶態(tài)石墨的典型拉曼峰)出現(xiàn)，這兩處拉曼峰為類石墨碳的典型峰，證明了實(shí)施例獲得的材料表面負(fù)載的納米顆粒主要由碳元素構(gòu)成。在單室電化學(xué)反應(yīng)池中，以該實(shí)施例獲得的石墨氈材料作為陰極，鉬絲為對(duì)電極的循環(huán)伏安圖譜如圖3所示，采用溶解氧飽和的O. 05Μ硫酸鈉為電解液，掃描速率為IOmV/
S。從圖3可以看出，該實(shí)施例獲得的石墨氈材料的電流響應(yīng)較之前有較明顯提高，電子傳遞過程得到加強(qiáng)，說明氧的電化學(xué)還原過程增強(qiáng)，此外材料的析氫電位(絕對(duì)值)增大，均有利于提高陰極材料的電催化性能。在恒定偏壓為-O. 65V(vs. SCE)，氧氣流量為O. 4L/min的條件下，該實(shí)施例獲得的改性石墨氈材料在120min的H2O2產(chǎn)量為109mg/L，約為改性處理前的2倍。將該實(shí)施例獲得的石墨氈材料作為電芬頓系統(tǒng)的陰極進(jìn)行污染物去除能力的評(píng)價(jià)，作為催化劑的外加Fe3+的濃度為O. 2mM,降解含有50mg/L的對(duì)硝基苯酚溶液模擬有機(jī)廢水的處理效果如圖4所示?？梢钥闯觯搶?shí)施例獲得的改性石墨氈材料具有更強(qiáng)的電催化活性，在20min時(shí)對(duì)對(duì)硝基苯酚的降解率高達(dá)58%，約為改性前的13倍，在120min時(shí)的降解率達(dá)到99%，說明本方法有利于顯著提高石墨氈材料在電芬頓體系中去除污染物的能力。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于電芬頓體系的石墨氈材料的改性方法，其特征在于具有以下操作步驟 (1)將石墨氈材料浸于丙酮溶液中進(jìn)行去油處理，浸泡時(shí)間為12 24h，獲得去油處理后的石墨氈材料，之后將其用去離子水超聲清洗數(shù)次直至去除殘余丙酮，將材料靜置風(fēng)干，獲得預(yù)處理后的石墨氈材料； (2)將步驟(I)中得到的石墨氈材料浸入無水乙醇中，在40 80°C恒溫條件下水浴加熱4 8h，獲得溶液化學(xué)處理后的石墨氈材料； (3)將步驟(2)中得到的石墨氈材料取出，并置于馬弗爐中100 200°C退火處理2 4h,即得到所述的改性石墨氈材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述基底材料是由微米級(jí)尺寸的碳纖維交織構(gòu)成的石墨氈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的改性石墨氈材料采用的化學(xué)試劑為無水乙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述的改性石墨氈材料表面原位負(fù)載納米碳顆粒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種石墨氈材料的表面改性過程，通過將石墨氈在無水乙醇環(huán)境中加熱回流后在較低退火溫度條件下即可實(shí)現(xiàn)材料表面的改性，并實(shí)現(xiàn)碳納米顆粒的原位負(fù)載過程。本發(fā)明方法可以有效提高石墨氈材料的比表面積，增加表面反應(yīng)活性位點(diǎn)，提高材料的表面親水性。將材料應(yīng)用于電芬頓體系，可以有效增強(qiáng)材料的電催化氧還原活性；有效提高電芬頓體系去除有機(jī)污染物的能力。本發(fā)明方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低，具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C02F1/46GK102887567SQ20121038274
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月11日
發(fā)明者周明華, 周蕾, 金濤 申請(qǐng)人:南開大學(xué)