[发明专利]一种基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料的制备方法及其产品和应用

说明书

本发明提供一种基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料的制备方法及其产品和应用。将市政污泥处理后得到生物质粉末，与尿素以固定比例混合加入去离子水中进行水热反应，得到预热解的掺氮生物质粉末；然后再在750‑850℃条件下进行热解，得到掺氮污泥基生物质炭；再将其与聚四氟乙烯分散液、乙醇混合均匀后，将获得的物质压在泡沫镍上，待加热并稳定后，得到基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料。它可用在电芬顿系统中，对有机废水进行降解，在反应过程中，H₂O₂产量高达104.02mg/L，可用于污水处理领域。

技术领域

本发明涉及电芬顿阴极材料领域，具体涉及一种基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料的制备方法及其产品和应用。

背景技术

电芬顿技术作为一种新型高级氧化技术，其基本原理是氧气在阴极材料表面发生原位两电子氧还原反应(ORR)(公式1)，生成过氧化氢(H₂O₂)，生成的H₂O₂进一步与溶液中Fe²⁺反应生成具有强氧化性的羟基自由基(·OH)，最终通过·OH强氧化性实现难降解有机污染物的降解和去除。

O₂+2e^-+2H⁺→H₂O₂(E₀＝0.695V/SHE) (1)

H₂O₂的产量是影响电芬顿反应降解去除废水中污染物质的重要因素，电芬顿生成H₂O₂主要通过阴极表面氧还原过程实现，因此，阴极材料是制约电芬顿系统发展的主要因素，选择合适的电芬顿阴极材料至关重要。

目前，已开发的电芬顿阴极材料有多孔石墨、网状玻璃碳、炭-聚四氟乙烯(PTFE)气体扩散电极等。这些电极材料存在着价格昂贵，制作工艺和原材料复杂等缺点，其电芬顿氧还原反应的反应活性低、选择性低，导致阴极H₂O₂积累量有限。

生物质炭是一种成本低、制备简单且富含碳元素的多孔材料，含有大量的表面官能团以及芳香化结构。近些年来，废弃生物质转化的生物质炭不仅在土壤修复、碳固存、生物燃料等领域得到重视，而且在水体污染治理方面也被学者们关注，比如重金属/有机物吸附剂、电极的修饰制备等。因此，本领域研究人员为了提高阴极H₂O₂积累量提出了利用生物质炭对基体碳材料进行化学掺杂，发现经过合理生物质炭修饰改性的碳材料性能明显提升，极大改善了材料的疏水性能，降低了氧气还原电位，对基体材料表面H₂O₂的产生提供了有利的条件，但是发现经过生物质炭改性的电芬顿阴极材料同时出现了稳定性差和成本高的问题，而且应用于水体污染物降解领域时其电催化效率也存在降低现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料的制备方法及其产品和应用，通过以尿素和污泥基生物质为原材料制备一种电芬顿阴极材料，以提高电芬顿阴极材料稳定性，降低成本，同时提高电催化效率。

为实现上述技术目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于污泥基生物质炭的电芬顿阴极材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将尿素与经过预处理的生物质粉末混合并溶于去离子水中，得到混合溶液后在150-170℃条件下保持9-11h进行水热反应，冷却，干燥脱水，得到预热解的掺氮生物质粉末；

(2)在步骤(1)得到的预热解的掺氮生物质粉末中通入氮气，在750-850℃条件下保持0.5-1.5h进行热解反应，得到掺氮生物质炭粉末；

(3)将步骤(2)得到的掺氮生物质炭粉末与聚四氟乙烯分散液和乙醇混合，加热成膏状物质；