[发明专利]一种改性炭纤维阴极材料、制备方法及应用

说明书

本发明属于功能材料技术领域，公开了一种改性炭纤维阴极材料、制备方法及应用，将炭纤维浸入到丙酮溶液中抽提24‑48h，去除表面的聚合物浆料和污染物；将脱浆纤维束作为负极，不锈钢金属网管作正极；超声辅助电泳沉积，吸附芬顿试剂而带正电的氧化石墨(GO)向负极迁移并且沉积在脱浆纤维表面，得到GCF粗品。粗品用异丙醇和去离子水交替清洗3‑5次，60‑80℃烘干，微波还原2‑10min，制备出GCF成品。本发明制备GCF具有丰富的表面结构，很好的韧性和导电性，在电芬顿反应中做阴极几乎没有发生脱落，最重要的是能够实现污染废水的连续化处理，有助于产业化的实现；制备过程具有环保、无污染、成本低等特点。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，尤其涉及一种改性炭纤维阴极材料(GCF)、制备方法及应用。

背景技术

目前，芬顿反应因作为一种高级氧化技术其能够产生具有仅次于氟的强氧化性·OH而在污、废水治理中得到国内、外学者的广泛关注。但是，芬顿反应中用到的H₂O₂成本较高，且存在运输和储存风险，电芬顿因其能够直接在阴极表面产生H₂O₂很好的解决了这个问题。

电芬顿反应降解效率普遍不高，为了解决这一问题，各种碳材料被广泛应用到电芬顿实验中，如石墨、碳毡、活性炭纤维(ACF)、多孔炭阴极(PCF)，气体扩散电极、碳气凝胶等。上述研究表明电芬顿反应的最佳条件是pH＝3的酸性环境，而中性环境条件会大大降低工艺效率和产生铁泥，造成二次污染。因此，有必要寻找一种H₂O₂产率高和氧化性强的新型阴极复合材料。一些研究者已将新型复合材料作为电芬顿系统的复合阴极材料来处理废水，例如负载Fe@Fe₂O₃核纳米线的活性炭纤维(ACF)复合材料，掺杂Fe₂O₃的碳气凝胶，氧化铁石墨毡复合材料。因此，有必要开发一种更高效、稳定、简单的制备方法来实现多相电芬顿系统阴极材料的制备。

综上所述，现有技术存在的问题是：由于催化剂存在脱落，溶解和团聚等影响，反应过程中催化剂活性降低，从而影响了电芬顿系统的降解效果。此外，电极存在制备成本高，制备工艺复杂，催化剂分布不均匀，可循环性差，接触面积有限、处理量少等诸多问题。

解决上述技术问题的难度：由于催化剂参与点芬顿反应，催化剂脱落、溶解和团聚问题较难解决，需要寻找一种稳定的催化剂固着材料。复合阴极材料，往往需要多步物理、化学过程才能够实现负载材料的有效复合，制备工艺复杂，且由于制备的一些不可控因素到至负载材料无法均匀负载；可循环性差也是由于催化剂的不稳定性造成的，因此如何增加负载催化剂的稳定性又是一个很棘手的问题。

解决上述技术问题的意义：本发明中提到的GCF的制备特点是，利用石墨烯的片层三维组合结构实现铁离子的有效包覆。本发明提到的GCF是一种低密度、高耐腐蚀的表面多孔固体材料，具有导电性好、机械稳定性高和热稳定性好等物理化学性质；本发明将GCF用于连续反应式电芬顿反应阴极，实现了废水处理的连续作业。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种改性炭纤维阴极材料、制备方法及应用。

本发明是这样实现的，一种改性炭纤维阴极材料的制备方法，所述改性炭纤维阴极材料的制备方法包括以下步骤：

第一步，将炭纤维浸入到丙酮溶液中抽提，去除表面的聚合物浆料和污染物，记作脱浆碳纤维；

第二步，在电泳沉积过程中，将脱浆纤维束作为负极，不锈钢金属网管作正极；

第三步，外加电压和超声共同作用，吸附芬顿试剂而带正电的GO向炭纤维方向移动并在其表面沉积，得到超声辅助电泳沉积GCF粗品；

第四步，用异丙醇和去离子水交替清洗，烘干，将GCF粗品微波还原，制备出改性炭纤维阴极材料成品。