[发明专利]一种绿色杂原子改性一体化生物炭阴极的制备方法

说明书

一种绿色杂原子改性一体化生物炭阴极的制备方法,涉及生物炭阴极的制备方法。本发明是要解决现有的电‑Fenton阴极无法协同调控氧传质及电子转移而导致的H₂O₂积累量低的技术问题。本方法：一、将木质生物质材料的表面打磨；二、浸渍磷酸溶液；三、冷冻干燥；四、预碳化、碳化，得到绿色杂原子改性一体化生物炭阴极。本发明的绿色杂原子改性一体化生物炭阴极在电流密度为25mA cm^‑2时H₂O₂产量达到5～6.5mg L^‑1，可用于电‑Fenton领域。

技术领域

本发明属于环境功能材料领域，主要涉及一种生物炭阴极的制备方法。

背景技术

电化学技术具有过程可控、易于操作、无二次污染风险等优点，作为电化学技术之一的电-Fenton技术，其主要原理如下：

O₂+2e^-+2H⁺→H₂O₂ (E⁰＝0.695V/SHE) (1-1)

H₂O₂+Fe²⁺→Fe³⁺+^-OH+·OH (1-2)

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺ (E⁰＝0.77V/SHE) (1-3)

i)溶解于水的氧气在阴极通过2电子原位ORR反应产生H₂O₂；ii)产生的H₂O₂与Fe²⁺催化剂发生经典的芬顿反应；iii)同时Fe³⁺可以在阴极还原为Fe²⁺从而减少催化剂的投加及反应过程中的铁泥堆集。电-Fenton作为一种新型处理技术，在苯酚废水、抗生素废水、农药废水、染料废水及垃圾渗透液废水等多种特种废水的处理实践中均有所运用。

然而，电-Fenton受限于阴极ORR反应前驱体氧的传质、反应活性低/选择性低，致使阴极H₂O₂积累量不足，导致电-Fenton技术的氧化效能亟待提高，因此制备高效产H₂O₂阴极是提高电-Fenton氧化效能的关键。目前，电-Fenton阴极主要以碳阴极和金属阴极为主，其中碳阴极研究始于1894年，常用的碳阴极，包括碳毡、碳布、碳纤维、泡沫碳、石墨烯、碳纳米管等。这些碳阴极或以难再生的化石燃料(比如煤、石油残留物和聚合物)为原料，或引入了难以控制、费用高昂的修饰材料，从而导致阴极制备过程中经济成本高昂和能源浪费问题。同时，在2电子ORR阴极的构筑发明中，以纳米尺寸的材料居多，如何跨越微观到宏观，构筑出宏观稳定、高效的2电子ORR一体化阴极依旧具有挑战。更为关键的是阴极H₂O₂的积累过程是前驱体氧传质协同电极界面电子转移过程，要实现高效的H₂O₂积累量，需协同强化氧传质及其电子转移过程。如公开号为CN108574105A的中国专利公开了一种轻木制备微生物燃料电池空气阴极的方法，它是借助于轻木木质结构多级孔道实现反应物/产物的传质和运输，但在2电子ORR中仅仅实现氧传质的强化还远远不够，其电极界面的转移过程慢，导致H₂O₂积累量仍然较低。

发明内容

本发明是要解决现有的电-Fenton阴极无法协同调控氧传质及电子转移而导致的H₂O₂积累量低的技术问题，而提供一种绿色杂原子改性一体化生物炭阴极的制备方法。

本发明的绿色杂原子改性一体化生物炭阴极的制备方法，按照以下步骤进行：