[发明专利]一种纳米二氧化铅电极的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于水处理技术及电化学领域，涉及纳米二氧化铅电极的制备方法以及在有机废水处理中的应用。

背景技术

越来越多的难降解有机废水给传统的生物处理法提出了挑战，因为不像废水中的其他化合物，这些成分限制了生物降解或生物利用。为了达到越来越严格的废水排放标准，必须寻找其他处理技术。近年来，在含有机污染物的工业废水处理上涌现了许许多多的新技术。在难生物降解的废水处理领域，电化学氧化被认为是一种很有前途的方法，并引起了很多学者的研究兴趣。它具有环境兼容性好、占地面积省以及超强的氧化能力等优点。

不过，相比于廉价的生物处理技术，电化学氧化技术有明显的致命伤：费用高。主要体现在两个方面：新型阳极材料的制备成本高和运行费用高。阳极材料的开发对降低电化学氧化技术的成本起到了至关重要的作用。研究人员在这几十年来已经开发了各式各样的阳极材料，以期提高氧化能力和电流效率，包括石墨、铂、二氧化铱、二氧化钌、二氧化锡、二氧化铅以及硼掺杂金刚石电极。当使用铂电极时，大部分的电流会消耗在生成氧气的过程中，导致电流效率低下。二氧化铱和二氧化钌电极对有机物的氧化性能又偏弱。当前研究表明，硼掺杂金刚石电极能够在保持电流效率不显著减少的情况下完全矿化有机污染物。但是这种电极的制备工艺相当复杂且成本高，尤其是对于大面积的生产而言。石墨电极很便宜但它们的电流效率非常低，这是其析氧过电位很低造成的。二氧化锡电极没有这个毛病，它的析氧过电位要高得多，但它又有另一个明显的缺陷：使用寿命太短了。因此，很有必要再开发一种既对有机物的氧化能力强又造价低廉的电极。二氧化铅电极是一种可能的选择。它具备了高析氧过电位、能产生大量羟基自由基以及导电性好的特点。可相比于硼掺杂金刚石电极，二氧化铅电极的电催化氧化能力就嫌低了些，若要在工业应用上推广则还需进一步提高其氧化能力。为了解决这个问题，迄今为止已经有不少关于二氧化铅电极改性的文献，主要通过元素掺杂的方式实现。用在二氧化铅电极掺杂改性的元素有铋、钴、铈、铁、氟、PTFE(聚四氟乙烯乳液)……这种改性方式侧重于改变电极表面活性层组成成分。事实上，电极的性能不但与活性层组成成分，而且与电极表面的形貌有很大关系。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高催化活性和较长使用寿命的纳米二氧化铅电极及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

目前绝大多数提高二氧化铅电极性能的方式是掺杂各种元素，本发明尝试了一种新方式：通过改变电极基体并用脉冲电沉积的方法得到纳米二氧化铅电极。以该方法制备的电极其电催化活性和使用寿命相比于使用直流电沉积得到的普通钛基二氧化铅电极均得到较大程度的提高。本发明的成功为研究用于水处理的电极提供了新思路，拓宽了研究空间，将来亦可将本技术和已存在的掺杂技术相结合开发更好的电极。

本发明的思路是寻找一种从改变电极表面形貌的角度提高二氧化铅电极电催化氧化性能的新办法。绝大多数二氧化铅电极是以电沉积的方法制备，而用于电沉积的基体以金属钛最为常见。这种在钛基体上通过直流电沉积制备出钛基二氧化铅电极是一种非常传统的方法。本发明将进行更换基体的尝试。垂直生长的高度有序二氧化钛纳米管阵列拥有比钛基体大得多的比表面积，可以作为制备二氧化铅电极的新型基体。二氧化钛纳米管阵列能通过在含氟电解质中阳极氧化钛基体得到，并且生长出的纳米管能保持较牢固地附着在基体上。纳米管阵列的纳米结构拥有非常大的表面积-体积比，这可以归于空心结构的内部提供的额外空间。目前未发现有文献报道直接在二氧化钛纳米管阵列上负载二氧化铅得到高分散性活性层的纳米电极。一旦金属氧化物活性层能进入到二氧化钛纳米管的内部，它就能在纳米管的限制下达到纳米级并高度分散。但要运用传统的直流电沉积来使二氧化铅进入二氧化钛纳米管中是很困难的，因为纳米管的表面张力很大。本发明中采用脉冲电沉积技术来实现。

一种纳米二氧化铅电极的制备方法，包含步骤：

(1)制备二氧化钛纳米管阵列基体；

(2)配制二氧化铅电沉积液；

(3)在二氧化钛纳米管阵列基体上电沉积制备纳米二氧化铅电极。

所述的二氧化钛纳米管阵列基体的制备方法，包含步骤：

(a)首先对钛片进行预处理：切割好的钛片(厚度1.0mm，纯度99.5％)先后用100号、400号和800号砂纸机械打磨，然后进行除油处理；酸洗过程可用8％-10％草酸微沸处理60-90min或1∶1盐酸75-85℃下处理10-15min，蒸馏水洗净后用惰性气体如氮气、氩气等吹干；