[发明专利]铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极及其制备方法与应用，其包括：通过分步煅烧的方法合成一种铁‑氧‑碳单原子催化剂，将所得的催化剂滴涂在活性炭纤维上，从而形成一种高过氧化氢产率且能够快速传质的高性能铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极。过氧化氢在铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极高效原位产生，并在单原子铁位点的催化作用下原位生成羟基自由基，过氧化氢的产率得到大幅度的提升，将阴极表面富集的难降解有机污染物高效催化，从而实现微污染物的高效去除，且能保持良好的稳定性，在能源和环境保护领域有较高的应用价值。

技术领域：

本发明属于纳米材料和环境技术领域，涉及一种铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极及其的制备方法与及应用。

背景技术：

由于城市工业化的深入与化工行业的发展，难降解有机污染物(POPs)是在于水体中被越来越广泛地检出，进而引起人们越来越广泛的关注。然而由于其浓度低、毒性高的特点，传统的净水方法(例如混凝、沉淀、氯化消毒等)和污水处理途径(例如物理化学、生化法)难以有效处理。低浓度的特点导致常规处理手段污染物传输的驱动力不足。因此，亟需开发一种先进的手段来有效、快速地从水中去除难降解有机污染物。

电芬顿技术是一种改进的芬顿工艺，由于其氧化能力强、环境友好和易于操作等较为理想的特性，最近引起了广泛关注。该技术可原位合成过氧化氢，避免了传统芬顿体系中过氧化氢的运输、储存和使用等风险。外加电场有利于亚铁离子的再生，从而减少铁泥的产生和亚铁的消耗。然而，关于电芬顿技术的实际应用的报道很少，主要是因为以下瓶颈尚待克服：(i)高产率的活性物质，(ii)具有高速质量传输的先进电化学反应器，以及(iii)高效、持续、稳定的新型反应系统。

发明内容：

本发明目的在于，提出一种新型铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极的制备方法并将其应用于过滤电芬顿体系。该方法采用通过分步煅烧的方法合成一种铁-氧-碳单原子催化剂，将所得的催化剂滴涂在活性炭纤维上，从而形成一种高过氧化氢产率且能够快速传质的高性能铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极。过氧化氢在铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极高效原位产生，并在单原子铁位点的催化作用下原位生成羟基自由基(·OH)，过氧化氢的产率得到大幅度的提升，将阴极表面的难降解有机污染物高效催化，从而实现微污染物的高效去除

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种铁-氧-碳单原子催化剂，所述铁-氧-碳单原子催化剂按如下方法制备：

将邻苯二甲酸与六水合硝酸铁溶于体积比1：1-5(优选1：3)的甲醇与丙酮的混合溶液中，加入介孔碳材(如石墨烯、CMK-3，优选CMK-3),室温下搅拌至溶剂完全挥发；所得产物在氩气氛围中以2-10℃/min(优选5℃/min)的升温速率在150-300℃(优选250℃)保持0.5-2h(优选1h)后，再升温至700-900℃(优选800℃)煅烧0.5-3h(优选2h),冷却至室温；所得产物在70-100℃(优选80℃)的1-3M(优选2M)盐酸中处理6-10h(优选8h)后，以去离子水洗涤至中性，得到铁-氧-碳单原子催化剂；所述邻苯二甲酸、六水合硝酸铁与有序介孔碳的质量比为1：0.1-5：0.1-5(优选1：1：2)。

进一步，所述甲醇与丙酮的混合溶液的体积为足够溶解所述邻苯二甲酸与六水合硝酸铁的最小剂量。

第二方面，本发明提供一种以上述铁-氧-碳单原子催化剂制备的单原子铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极，所述单原子铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极按如下方法制备：

将所述铁-氧-碳单原子催化剂加入乙醇和nafion试剂的混合溶液，分散均匀后，滴涂在经过预处理的活性炭纤维上，干燥，得到所述的单原子铁/氧掺杂碳基过滤式电芬顿阴极；所述乙醇和nafion试剂的混合溶液中，乙醇与nafion试剂体积比25-100：1(优选59：1)；所述铁-氧-碳单原子催化剂的质量以所述乙醇和nafion试剂的混合溶液的体积计为1-3mg/mL(优选2mg/mL)。