[发明专利]一种具有光电催化功能的粒子电极及制备和应用

说明书

技术领域

本发明属电化学电极领域，特别是涉及一种具有光电催化功能的粒子电极及制备和应用。

背景技术

随着现代化工业的发展，各类污水的排放量日益增多，污水的颜色越来越深，其中所含难降解有毒有机成份也越来越多，而传统的有机污水处理方法存在较多的缺陷，难以降解罗丹明B、甲基橙这类物质，不能适应环境保护与可持续发展的要求。而高级氧化工艺(Advanced Oxidation Processes，AOPs)，尤其光催化氧化和电催化氧化技术越来越受到人们的重视，成为有毒有害有机污染物处理新技术的研究热点。

自1972年Fujishima等发现光照TiO₂半导体电极具有分解水的功能后，纳米TiO₂光催化氧化技术作为一种水处理的方法引起了广泛的重视。TiO₂光催化剂具有廉价、无毒、高活性和性能稳定等优点，在降解污染物方面的研究十分活跃。但是二氧化钛光催化剂自身存在着悬浮相、光催化氧化易凝聚、难分离、易失活、回收困难以及光生电子和空穴的复合导致量子效率太低，降低了其催化效率等缺陷。随着光催化研究的深入，人们逐渐意识到单靠光催化氧化处理水中有机污染物难以在技术上获得突破。

由于纳米TiO₂光催化氧化技术的主要问题之一是量子效率太低，近年来有学者研究通过外加电场阻止光生电子和空穴发生简单复合以提高量子效率。实验表明：使用TiO₂光电极可显著提高过程的量子效率，同时具有增加半导体表面·OH的生成效率和取消向系统内鼓入电子俘获剂O₂两大优点。

电催化高级氧化技术(Advanced Electrocatalysis Oxidation Processes，AEOP)是最近发展起来的新型AOPs，因其操作简便、与环境兼容等优点引起了研究者的广泛注意。它通过电极反应直接或间接产生氢基自由基，从而有效降解难生化污染物，但该工艺降解有机物的电流效率低，能耗高，难以实现工业化。

为解决上述问题，国外许多研究者将二维体系扩展到三维体系，即传统的二维电解槽中对电极间装填粒状(如颗粒活性碳)或其它碎屑状(如铁屑)电极并使其表面带电，成为新的一极，即第三极，在这些电极材料表面能发生电化学反应。与二维电极相比，三维电极的面积、体积比增加，并且粒子间距小，物质传质效果发生了改善。因此，三维电极要达到最佳的对有机污染物降解效果和最低的能量消耗，关键在于具有高光电催化活性的粒子电极，不仅要能降低光生电子-空穴对的复合，提高量子效率，而且要能实现电催化效应与光催化效应的协同。但是目前的三维电极系统的粒子电极大多只有电催化功能还不具备光催化功能，不能实现光电催化的协同效应。

发明内容

要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种具有光电催化功能的粒子电极及制备和应用，以解决现有电极只有电催化功能还不具备光催化功能，不能实现光电催化协同效应的问题。

技术方案

本发明的技术方案之一是提供一种具有光电催化功能的粒子电极，由载体多孔石墨负载纳米TiO₂构成。

所述的石墨为直径2～10mm，长径比(长度与直径之比)为1～3的圆柱型石墨，或宽度为2～10mm，长宽比为1～3长方体型石墨。

所述的石墨负载纳米TiO₂为纯TiO₂或元素掺杂TiO₂。

所述的掺杂元素为过渡元素(如铁、钴、镉、钇、锆、钌、铟等)、稀土元素(如镧、铈、钇、铕、钬等)、碱金属元素(锂、钾、铷、铯)，掺杂方法为离子共溶液掺杂。掺杂量按摩尔数百分比计(即掺杂元素离子物质的量与钛酸四丁酯物质的量之比)为0.5％～5％).

本发明的技术方案之二是提供一种具有光电催化功能的粒子电极的制备方法，包括以下步骤：

(1)石墨粒子的预处理：将石墨粒子用蒸馏水浸泡12-24h并冲洗数次后，置于烧杯中煮沸10-20min，静置冷却后，滤去水分放入烘箱中烘烤24-36h待用；

(2)TiO₂溶胶制备：