[发明专利]一种多孔Fe/C/N复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及材料技术领域，本发明提供一种高效、稳定、环保多孔铁碳复合材料作为电芬顿阴极，以提高电芬顿体系的污染物降解效率和可持续性。该材料以铁基金属骨架有机化合物MIL‑(100)Fe为前驱体，以聚苯胺(polyaniline，PANI)为碳源与氮源，经高温碳化得到Fe/C/N多孔复合材料。本发明的Fe/C/N复合材料具有高效且稳定的非均相电芬顿催化性能，在实际应用中，该材料具备氧还原作用和芬顿催化作用，可在电离生成H₂O₂的同时催化H₂O₂生成·OH，无需投加其他试剂或催化剂。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，更具体地说，是涉及一种多孔Fe/C/N复合材料及其制备方法。

背景技术

高级氧化法(Advanced oxidation processes,AOPs)又称深度氧化法，是利用氧化剂、催化剂、光、电超声波等技术，在反应中产生大量具有强氧化性的氧化活性物质(如·OH等)，通过氧化活性物质与有机污染物的反应，将难降解有机污染物进行快速矿化的污水处理工艺，常应用于污水的预处理或深度处理。

电芬顿技术(Enric Brillas,I.S.s.,and Mehmet A.Oturan,Electro-FentonProcess and Related Electrochemical Technologies Based on Fenton’s ReactionChemistry.Chem.Rev.2009,109,6570-6631)是高级氧化技术的一种，其核心是利用阴极的还原作用原位还原O₂生成H₂O₂。产生的H₂O₂与Fe²⁺反应，产生·OH自由基：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂

H₂O₂+Fe²⁺→Fe³⁺+·OH+OH^-

阴极的还原作用还可促进Fe³⁺→Fe²⁺循环，实现Fe²⁺的再生从而使催化反应能持续进行:

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺

电芬顿技术的优势在于实现了H₂O₂的原位生成，不需要外加过氧化氢，这不仅减少了工艺运行成本，还有效避免了试剂在投加过程中可能产生的危险；此外，电芬顿技术还具有工艺构造简单，反应条件温和、操作简便、H₂O₂浓度稳定，以及可再生Fe²⁺等优点。然而，Fe²⁺的再生往往是整个反应的限速步骤。为了解决这个问题，目前的电芬顿体系大多通过采用牺牲阳极法或外加试剂来不断补充Fe²⁺。但是，这种方式不仅增加了Fe²⁺的消耗，而且反应后生成的Fe(OH)₃污泥也增加了工艺的后续处理成本。

一种更有效的解决方案是采用负载Fe元素的非均相催化剂替代均相的Fe²⁺。例如，研究者尝试将铁盐通过一定的方式固定于氧化硅、活性炭和石墨烯等载体上，再通过烘干或焙烧等手段制备出非均相铁催化剂。该类催化剂材料富含铁氧化物因此通常具有磁性，可重复使用，从而降低Fe的消耗并且减少后续处理成本；此外，高比表面积的催化剂载体也有利于污染物的吸附，从而进一步提高催化效率。然而，已有的非均相芬顿催化剂仍然存在一些缺陷：(1)催化位点在载体上分布不均匀；(2)使用过程中催化剂易发生团聚；(3)催化剂上铁的再生效率低；(4)催化剂与阴极产生的H₂O₂间的传质阻力较大。