[发明专利]磷掺杂多孔碳包覆石墨毡材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了磷掺杂多孔碳包覆石墨毡材料，包括石墨毡和磷掺杂多孔碳材料，石墨毡为碳基底材料，磷掺杂多孔碳为修饰材料，其包覆于石墨毡的碳纤维表面。该材料通过以下步骤制得：S1：对原始石墨毡材料进行预处理；S2：超声波浸润处理：将预处理好的石墨毡浸入植酸水溶液中，15～60min后在70～70℃下干燥8～24h；S3：高温碳化处理：将石墨毡转入气氛管式炉中进行碳化处理，在氮气保护下以每分钟5℃的升温速率在700～700℃下煅烧0.5～1h，待管式炉冷却至室温后，将石墨毡洗涤并烘干，即得磷掺杂多孔碳包覆石墨毡材料。将该材料作为电芬顿阴极，可电催化O₂还原，生成H₂O₂，并通过产生的·OH氧化目标污染物，实现对水中尼泊金酯类污染物的完全降解。

技术领域

本发明属于有机污染物去除领域，具体涉及一种磷掺杂多孔碳包覆石墨毡材料及其制备方法和在电芬顿降解尼泊金酯类污染物上的应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展，近年来，水污染在全球范围内呈现出分布范围普遍性、污染来源多元化、污染物多样性的特点。然而，水资源是人类赖以生存的自热资源，日趋严重的环境水污染问题亟待解决。将污染物从水中除去，提高水资源的利用率，降低水污染，成为全世界人民关注的热点。

在各种污染物去除方法中，物理法虽然简单快捷，但是对污染物的不完全降解可能造成对环境的二次污染；生物法具有选择性好、安全稳定的特点，但其对微生物的培育周期长，不利于处理各类新兴污染物。电芬顿氧化法是一种利用强氧化性基团使有机物被降解的新兴污染物去除技术，对于难去除有机物具有降解效率高、矿化效果好、无二次污染的明显优势。这种方法是通过2e过程将O₂还原为H₂O₂，再利用Fe²⁺与H₂O₂反应生成的·OH 使目标污染物被完全降解，同时可以通过电化学还原将生成的Fe³⁺还原为Fe²⁺。电芬顿技术中，·OH决定了污染物降解速率，而电极材料影响了H₂O₂的产量。因此，阴极材料的选用对电芬顿过程至关重要。

O₂+2e^-+2H⁺＝H₂O₂ (eq.1)

Fe²⁺+H₂O₂＝Fe³⁺+·OH+OH^- (eq.2)

Fe³⁺+e^-＝Fe²⁺ (eq.3)

石墨毡是一种由碳纤维组成的三维自支撑碳材料，其内部结构松散，空隙通道大，且具有成本低、无毒、耐腐蚀、机械性能良好等优点，通常作为电极材料，被应用于电池、超级电容器、电化学催化和高级氧化技术等领域中。但是石墨毡对电解质溶液的浸润性差，碳纤维表面过于光滑不利于电化学反应，应用于电芬顿工艺中常需对其进行改性处理，以提升其对目标污染物的降解效率。

植酸是一种富含磷酸盐的天然化合物。作为种子中磷元素的主要存在形式，植酸在谷物、油料种子和坚果中，占总磷的60％～70％，因此其在种子发芽过程中具有重要作用。

尼泊金酯类是一种以对羟基苯甲酸酯为主要结构的有机物，其主要结构式如下：

由于具有成本低、应用范围广和抗菌效果好等特点，尼泊金酯类物质现已成为数万种化妆品和部分食品的防腐剂。尼泊金酯类防腐剂的大量使用导致其在环境水体、土壤及沉积物中均有残留。但过度使用此类防腐剂不仅会对人体的皮肤、内分泌系统和生殖系统产生负面影响，还会对水中微生物群落稳定性构成威胁，不利于水生生态系统发展。因此，采用高效清洁、安全稳定的技术去除环境中的尼泊金酯类是十分必要的。

发明内容