[发明专利]一种具有微纳结构的电催化多孔钛滤膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有微纳结构的电催化多孔钛滤膜及其制备方法，特别涉及一种含有微纳结构TiO₂中间层的多孔钛滤膜，通过中间层的构建可以有效地增加多孔钛基体的比表面积，改善多孔钛的孔道结构、同时增强活性层与多孔钛基体的附着力，延长电催化多孔钛滤膜的寿命。本发明可同时作为膜过滤材料以及电催化材料用于难生物降解有机废水处理、微污染饮用水处理、再生水处理及其他受污染水体治理，属于电化催化、膜过滤及废水处理领域。

背景技术

相比有机膜材料及其他无机膜材料，多孔钛滤膜以其优异的三维多孔结构、抗腐蚀性及传质性能被广泛用于制药、水处理和食品加工等过程的精密过滤。同时多孔钛滤膜还具有导电性优良、电化学稳定性好、抗氧化性强以及比表面积高的独特优势。此外，电催化氧化法由于在电流作用下能够在电极界面上产生大量活性物质（·OH、活性氯等），对水中污染物的氧化去除具有反应条件温和、去除率高、无需药剂投加、环境友好、操作简便等优异的性能。其中平板钛为基体的金属氧化物涂层电极是电催化氧化领域中最为广泛使用的电极材料之一，已被广泛的应用在电化学氧化废水处理及各类电化学工业中，但是传质性能差、能耗高、电流效率低等问题一直制约平板钛电极的发展。

因此，以多孔钛滤膜为基体制备负载金属氧化物的电催化滤膜，这样不仅可以充分发挥多孔钛自身的流通式电极构型及孔道效应，依靠强制对流作用促进污染物的传质，而其三维、连续、多孔结构可以为活性层的构建提供更多承载面积，促进电极催化活性和污染物的降解效率的提高，从而达到同步改进传统平板传质性能不佳以及传统的碳基导电膜过滤材料中普遍存在的材料电化学稳定性差、易氧化、催化活性低的缺点。然而, 现有的多孔钛滤膜仍存在比表面积相对较低（约0.1 m²/g），孔隙率偏小（约为30%）的缺点，因此在制备电催化多孔滤膜前亟需对多孔钛基体进行孔道重新构造。可以设想，在钛滤膜孔壁上通过构建具有微纳结构的TiO₂ 中间层，不仅可以优化孔道结构，提高表面积及孔隙率，而且有助于提高电极催化活性及活性层与基体的结合力、增强其稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有微纳结构的电催化多孔钛滤膜及其制备方法，使传统的多孔钛滤膜不仅具有膜过滤的特性，还具有优良的电催化活性，重要的是通过具有微纳结构的中间层构建对多孔钛滤膜进行孔道再造，提高其表面积和孔隙率，同时促进催化剂的负载效果及提高与基体附着力。此外可以进一步按照不同用途需要选择所需元素，负载一元或者多元的金属氧化物活性层，负载的活化层具有分散性好、催化活性强、稳定性好的特点。最终得到的一种具有微纳结构的电催化功能的多孔钛滤膜具有对废水中具有污染物去除率高、能耗低、使用寿命长、催化活性高等特点且制备方法简单。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种具有微纳结构的电催化多孔钛滤膜，其特征在于：该滤膜由多孔钛基体、具有微纳结构的TiO₂中间层以及负载在中间层上的电催化活性层构成；所述具有微纳结构的中间层为原位生长在多孔钛基体上的TiO₂纳米花、纳米线、纳米棒或纳米管等集合体；所述电催化活性层构成为PbO₂、SnO₂、RuO₂、IrO₂、Sb₂O₅、Bi₂O₃等过渡金属氧化物或上述多种金属氧化物组成的复合金属氧化物。所述的多孔钛滤膜为平板状、管状，且平均孔径范围为0.45μm～50μm；

本发明提供的一种具有微纳结构的电催化多孔钛滤膜制备方法，其特征在于：该方法由以下三个步骤组成：

1）多孔钛基体预处理：将多孔钛浸泡含有HF酸和HCl的混合酸溶液中5 min～30 min，其中浓HF酸：浓HCl酸：去离子水体积比为1：1：200～1：1：100, 后经无水乙醇清洗放入真空干燥中入经80℃～120℃真空干燥，冷却至室温待用；

2）构建微纳结构TiO₂中间层，可分别通过以下三种方法实现：