[发明专利]作为催化剂载体用的碳纳米管膜电极CNT-Ti电极制备及其应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学水处理技术领域，涉及一种作为催化剂载体用的碳纳米管膜电极制备及应用，具体涉及一种以水相处理有机物为目标的，以钛网为基质，负载碳纳米管膜电极的制备方法。

背景技术

碳纳米管（CNTs）作为典型的一维纳米材料，与其他传统碳材料相比，具有许多独特的性质，例如导电性好、能量密度分布高、比表面积大、力学性能强、具有储氢性能等，近年来，CNTs作为电极材料受到越来越多的关注。

由于CNTs的优异性能，研究人员致力于将CNTs作为催化剂载体应用到水相有机物的电催化降解技术当中。钯（Pd）在电催化还原脱卤过程中起到了催化剂的作用，碳纳米管作为合适的催化剂载体是降低成本，提高催化剂催化效率的关键因素。目前，载Pd电极应用CNTs作为催化剂载体存在两种方案，一种是合成Pd/CNTs粉体材料，另一种是在基质上通过化学气相沉积法直接制备阵列CNTs后，电化学沉积Pd到CNTs层。Pd/CNTs粉体材料为纳米材料，水相中应用，后续的分离操作十分困难，不利于实际应用。在基质上直接制备CNTs，得到的CNTs含有很多催化剂颗粒和不定型碳，纯化困难，易对制备得到的CNTs层造成破坏，且工艺复杂。如何将CNTs的优异性能应用到水相电极当中，稳定的CNTs膜的制备是关键。

本发明考虑到上述两种方法的弊端，采用批量生产的CNTs成品，将其进行氧化改性功能化后，采用电泳沉积法将CNTs沉积至基质，可作为电极使用，方法简便可行，避免了粉体材料分离难和阵列碳纳米管纯化难的问题，且功能化CNTs壁上的官能团可作为催化剂的成核点，有利于电极催化性能的提升。

发明内容

本发明旨在提供一种以水相处理有机物为目标，方便使用、制备简便且负载金属催化剂性能好的CNTs膜的制备方法。

上述CNTs膜的制备方法与过程，包括以下步骤：

（1）称取CNTs，量取浓硝酸、浓硫酸混合，CNTs采用超声波清洗器常温超声4～8h后将其置于含有混酸的反应瓶中，控制温度为60℃，恒温回流0～4h，用离心机离心去除大部分酸后，用去离子水将CNTs过滤洗涤至中性，干燥后备用；

（2）将步骤（1）制备的CNTs超声分散于去离子水中，用0.05mol/L的HCl溶液和0.05mol/L的NaOH溶液调节pH=3～11，测量不同pH值下，CNTs分散液的zeta电位；

（3）将150目的钛（Ti）网在NaOH溶液中浸洗去除油污，在草酸溶液中煮沸去除氧化物，蒸馏水清洗干净，氮气吹干备用；

（4）以步骤（2）配置的CNTs分散液为电泳沉积液，以步骤（3）处理过的Ti网为阳极，以铂（Pt）片为阴极，采用直流电源，控制电压优选为15V，沉积时间优选为10min，电泳沉积制备CNTs膜，沉积结束后，空气中晾干，得到CNT-Ti电极。

步骤（1）中制备得到的CNTs通过boehm滴定法计算羧基含量进而得到步骤（1）的优选方案；称取步骤（1）制备的CNTs60mg，使之与0.05mol/L的NaHCO₃溶液搅拌反应48h，通过boehm滴定法计算羧基含量，羧基含量高者为优选方案。

步骤（1）优选方案：CNTs采用超声波清洗器常温超声4h后将其置于含有混酸的反应瓶中，控制温度为60℃，恒温回流2h。

步骤（2）得到的CNTs分散液通过测定zeta电位进一步确定步骤（2）的优选方案：zeta电位的绝对值最大，稳定性最好。

由步骤（1）的最佳方案和zeta电位步骤（2）的判断得到CNTs分散液的最佳pH值为6。

Pd-CNT-Ti电极的制备：在上述所得的CNT-Ti电极在0.05M的NaH₂PO₂溶液中浸泡5min，空气中晾干后在PdCl₂溶液中浸泡10min，然后取出用蒸馏水冲洗多余的Pd²⁺，空气中晾干，得到Pd-CNT-Ti电极。

采取超声与回流两种物理方式相结合，浓酸氧化法在碳纳米管壁上引入羧基官能团。通过zeta电位的测量和boehm滴定法确定碳纳米管的最佳处理方法和分散液的最佳pH。调节碳纳米管分散液的pH为6，此时zeta电位为-53mV，在水相中采用电泳沉积法在钛网表面成功制备碳纳米管膜，该制备方法成膜效果好，分散均匀，负载金属催化剂能力强，操作简便，是理想的催化剂载体材料，为水相中电催化电极的制备提供了物质条件。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：