[发明专利]一种氧化石墨烯-Cu-Co/泡沫钛基板复合电极、其制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氧化石墨烯‑Cu‑Co/泡沫钛基板复合电极、其制备方法及其应用，属于水中硝酸盐处理技术领域。本发明的复合电极包括由内到外设置的泡沫钛基板、氧化石墨烯层、Cu层和Co层；本发明的制备方法主要包括：1)对泡沫钛进行预处理；2)制备氧化石墨烯溶液，并将氧化石墨烯附着于泡沫钛表面；3)通过电化学方法，依次将Cu和Co电镀于氧化石墨烯/泡沫钛基板上。本发明的复合电极比表面积大，催化效率高，通过石墨烯、Cu和Co的耦合协同作用，可在60min内去除90％以上的硝酸盐氮和70％以上的总氮，而且稳定性和重复性较优，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于水中硝酸盐处理技术领域，更具体地说，涉及一种氧化石墨烯-Cu-Co/泡沫钛基板复合电极、其制备方法及其应用。

背景技术

硝酸盐是地下水中最常见的污染物之一，其具备高流动性，不被粘土和有机物等吸附。随着人类社会发展，工业生产、农业活动等导致硝酸盐排放量日益增加。相关数据显示，中国华北平原是世界上化肥投入最多的地区，其28％的地下水井超过了硝酸盐氮浓度的最大污染水平(20mg/L)。饮用水中的硝酸盐氮含量过高，会导致致癌、致畸、致突变，并引发内分泌系统受损、甲状腺肿等各种疾病。因此，硝酸盐氮污染问题逐渐变成我国乃至世界性水污染问题。

目前硝酸盐氮去除方法主要分为物理法、化学法、生物法三种，化学法中的电化学技术以装置简单、去除率高、稳定性好、环境友好等优势得到了极大的关注。电化学技术通过氧化还原反应，将硝酸盐氮转化为亚硝酸盐氮、氨氮或氮气等，从而实现硝酸盐氮的去除。为了提高电化学的处理效果，学者们对电极展开了大量的研究。

中国专利(申请公布号CN105198046A，公开日2015年12月30日)提供了一种Ti-石墨烯高效去除去下水中硝酸盐的方法，将鳞片石墨粉制备成氧化石墨烯，超声溶于水中形成氧化石墨烯溶液，而后将Ti极板浸入，自然风干得到Ti-石墨烯电极。

中国专利(申请公布号CN103521220A，公开日2014年1月22日)提供了石墨烯-二维贵金属原子层复合材料的制备，二维贵金属Pb通过吸附、电化学还原、置换附着于富有氧化石墨烯的玻璃电极表面。

中国专利(申请公布号CN111115768A，公开日2020年5月8日)提供了一种脱除水中硝酸盐氮及总氮的电极及其制备方法，通过对钛基底电极依次进行预处理、预镀铜、镀铜和钴、镀钴和生成钴稳定层，得到具有高硝酸盐氮及总氮去除率的电极。

以上专利中均对现有电极进行了改进，效果都有显著提高，但也存在着电极稳定性差、表面物质脱落、单一选择性问题，同时平面电极比表面较小、电子传导性有限，其催化效率相对较低。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有水中硝酸盐处理技术中存在的处理效果差的问题，本发明提供一种氧化石墨烯-Co-Cu/泡沫钛基板复合电极，由内到外设置泡沫钛基板、氧化石墨烯层、铜(Cu)层和钴(Co)层，泡沫钛的三维多孔结构可以为氧化石墨烯的附着提供更多的位点，加强氧化石墨烯附着力，减少后续实验反应过程中的脱落，同时泡沫钛的比表面积大，能充分与溶液接触，可以有效提高电极材料的催化效率；不仅如此，本发明设置Cu层和Co层，通过多元素的耦合作用，强化对硝酸盐氮和总氮的去除效果，同时也降低了氧化石墨烯的脱落和析出，提高了复合电极的重复利用性和电极稳定性，解决了现有技术处理效果差的问题。

进一步地，本发明提供上述氧化石墨烯-Co-Cu/泡沫钛基板复合电极的制备方法，在镀层过程中加入表面活性剂，使得镀层更加致密，表面均匀，不宜脱落。

进一步地，本发明提供上述氧化石墨烯-Co-Cu/泡沫钛基板复合电极的应用，将上述复合电极用于脱除废水中的氮，可在60min内去除90％以上的硝酸盐氮以及70％以上的总氮，而且该复合电极稳定性和重复性较优，在水中硝酸盐处理技术领域具有良好的应用前景。

2.技术方案