[发明专利]一种活性炭纤维负载有序介孔碳‑石墨烯复合材料的制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及具有有序介孔层状结构的新型块状碳材料的制备及应用技术领域，具体涉及一种新型活性炭纤维负载有序介孔碳-石墨烯复合材料(OMCrGOACF)的制备方法及其作为阴极材料应用于电-Fenton反应降解内分泌干扰物的应用。

背景技术

有序介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，具有巨大的比表面积(可高达2500m²/g)、规整的孔道结构、大的孔径(2-50nm)和孔体积(可高达2.25cm³/g)，而在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用，因此受到人们的高度重视。

石墨烯作为继富勒烯和碳纳米管发现之后的又一种新型碳同素异形体，独特的原子结构和电子结构使得其表现出传统材料所不具有的多种非凡性能。理想的单层石墨烯比表面积可达2630m²/g，是很好的负载基地和储能材料。同时石墨烯的导电性能极好，载流子迁移率为2×10⁵cm²/(V·s)，是目前已知常温下导电性能最优秀的材料。这些优异的性能和独特的纳米结构，使石墨烯成为近年来科研工作者广泛关注的焦点。基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景。但把有序介孔碳、石墨烯和活性炭纤维复合应用于电-Fenton体系作为一种氧扩散阴极降解内分泌干扰物的研究，尚未见有报道。

电-Fenton反应作为一种高级氧化技术，主要是通过电化学的方法将O₂转化为H₂O₂，进一步转化为强氧化性活性物种·OH，能十分高效地处理有机废水，具体的反应机制如下所示：

O₂+2H⁺+2e-→H₂O₂(1)

Fe²⁺+H₂O₂+H+→Fe³⁺+H₂O+·OH(2)

·OH+RH→R.+H₂O(3)

溶解O₂在阴极室通过在不同的阴极表面发生电子还原反应生成芬顿试剂H₂O₂，在弱酸性(pH≤3)条件下与Fe²⁺发生Fenton反应，生成强氧化性的·OH，无选择性地迅速与芳香族有机化合物发生三种形式反应：脱氢反应、破坏C＝C不饱和键的加成反应和电子转移反应，使其发生化学降解。反应中Fe³⁺会在阴极还原成Fe²⁺，继续与H₂O₂发生Fenton反应，因此Fe²⁺在反应中起到催化剂的作用，即所谓的电-Fenton过程。在电-Fenton反应体系中，阴极起着非常重要的作用，因为碳材料具有良好的导电性能，热稳定性，抗腐蚀，耐酸碱等优点，目前的阴极材料一般选用碳材料(如石墨、网状玻璃碳、碳纤维等)。

基于本课题组已成功制备有序介孔碳-活性炭纤维复合材料(OMCACF)，但在实际应用中存在应用电位较高，O₂在阴极室还原生成H₂O₂的同时还存在副反应(5)、(6)，从而导致产生电流效率低。

O₂+4H⁺+4e-→2H₂O(5)

H₂O₂+2H⁺+2e-→2H₂O(6)

因此为了克服OMCACF复合材料的缺陷，同时继承有序介孔碳材料在电-Fenton反应体系的优势，制备一种新型有序介孔结构的块状碳材料增强其性能是十分必要的。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供了一种新型活性炭纤维负载有序介孔碳-石墨烯(OMCrGOACF)层状复合材料的制备方法和应用。