[发明专利]带有污染物分子印迹的铁-碳气凝胶电Fenton阴极及其制备

说明书

本发明涉及带有污染物分子印迹的铁‑碳气凝胶电Fenton阴极及其制备方法，该方法是将DMP分子印迹活性位点和纳米零价铁同时原位3D嵌入式生长到碳气凝胶矩阵中，后依次通过CO₂和N₂活化，即制得活化后带有污染物分子印迹的铁‑碳气凝胶电Fenton阴极，用于电吸附和催化氧化降解污染物的反应温度为25‑30℃，pH范围为5～7。与现有技术相比，本发明将分子印迹技术与电Fenton相结合，通过静电相互作用，亲疏水相互作用，π‑π相互作用和分子印迹特异性识别作用以及·OH的强氧化性，实现了电吸附与降解协同高效去除有机污染物，为处理难降解有机污染物提供了一种新的途径，工艺操作简单、节能且高效、易于循环使用，在实际的水处理领域具有非常广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于水处理技术领域，涉及一种带有污染物分子印迹的铁-碳气凝胶电Fenton阴极及其制备。

背景技术

随着环境中污染物的日益复杂，多种浓度、毒性大小各异的污染物共存。其中，邻苯二甲酸酯(PAEs)已广泛存在于我国的水环境中，且污染逐年加重。研究表明，在生物的即使是低浓度的PAEs也能引起生物体的畸形，癌变和基因突变。其中邻苯二甲酸二甲酯(DMP)是最具代表性和在水环境中最常见的一种，因其难生物降解、高毒性已被我国列为环境优先控制污染物。

为减少能耗，提高环境处理的高效性，很多研究者致力于选择性地将高毒性、难生化降解的污染物先从环境体系中除去，然后再用生化降解的方法处理可生化的污染物。因此，如何选择性地富集高毒性、低浓度污染物并成功催化，已成为研究一个难题。传统的实现选择性的方法主要为对催化剂进行表面修饰，如设计带有正负电性的催化剂，根据电荷的吸附排斥原理，对带正电性或负电性的污染物进行催化氧化；或在催化剂表面引入具有分子识别作用的分子，如环糊精、杯芳烃等，在一定程度上提高催化剂对某些特定尺寸和某一类亲疏水性物质的催化氧化；或将催化剂封装于分子筛中，根据分子筛的孔道效应，实现催化剂对某些具有特定尺寸的污染物的催化氧化等等。通常这些方法仅能在一定程度上提高某一类或某几种物质的选择性催化氧化，面临选择性低，针对性不够强的难题。同时，催化剂材料的表面修饰物很有可能在使用中挡光以及受光腐蚀，稳定性不够。

为了实现更为高效的电催化选择性，可以引入分子印迹技术(MIT)。无机材料的分子印迹具有一个理想的分子印迹聚合物所具备的重要性质：具有一定的刚性，可保证模板分子在被脱除以后，基底上留下的印迹孔穴与模板分子的形状和大小相同。另外，所构筑的印迹位点更多地暴露在印迹膜表面，能够快速识别吸附其特定的目标物质，保证目标物质与孔穴能够达到快速平衡。同时，无机材料的印迹具备一定的机械强度和热稳定性，在酸碱等苛刻条件下仍能使用，保证了印迹材料的实用性。MIT因其具有独特的识别性和选择性，是实现特定污染物选择性吸附的有效手段之一。

目前，许多先进的处理技术，有电催化、吸附、化学氧化、臭氧氧化、生物转化和生物降解等等。其中，吸附技术具有处理成本低，操作简单等优点，可用于污水中DMP的去除。多孔碳材料，如活性炭和碳纳米管，已发展成去除DMP的有效手段。碳气凝胶(CA)是一种具有3D网络结构的多孔碳材料，导电性好，比表面积高，可作异相Fenton催化剂的优良载体且有利于阴极ORR反应产生H₂O₂。由于以碳为基础的材料作为吸附剂已被广泛应用于水中污染物的处理，所以对碳材料的修饰得到了研究者们越来越多的关注。对碳材料的表面修饰能增强吸附质-吸附剂的相互作用，如静电相互作用、酸碱相互作用、氢键、π-π相互作用和疏水相互作用。