[发明专利]纳米铁锰复合氧化物负载的气体扩散电极及其制备与应用

说明书

技术领域

本发明属于电化学与纳米技术在环境领域的应用，涉及一种异相催化电芬顿(Electro-Fenton)的劣质水处理技术，特别涉及一种纳米铁锰复合氧化物负载的气体扩散电极及其制备与应用。

背景技术

芬顿技术由于适用范围广和反应速度快而在土壤和地下水修复中有着广泛的应用。电芬顿技术是一种改进后的芬顿技术，原理为利用电极表面的氧化还原反应，直接在电解体系中生成过氧化氢或者亚铁离子。过氧化氢在亚铁离子的催化作用下生成羟基自由基从而降解体系中的有机物。采用气体扩散电极作为电芬顿阴极能够大幅提高过氧化氢的生成效率并降低电解处理的能耗。另外现有的芬顿(Fenton)体系中一般采用Fe²⁺作为催化剂，不仅反应条件苛刻(pH3.5以下)，需要加入大量作为催化剂的Fe²⁺和酸碱调节剂。还存在催化剂难以分离和回收的缺点。后续含铁污泥的处理也是有待解决的问题。

气体扩散电极(Gas diffusion electrode，简称GDE)，是由“气孔”、“液孔”和“固相”三种相态网络交织而成的较薄的一种特制的三相多孔膜电极，其中三种相态分别承担着气相传质、液相传质和电荷的传递。

由于气体扩散电极的多孔结构特性有利于氧气在电极表面的吸附和传输，在通电状态下氧分子在电极表面得到2个电子还原为H₂O₂分子(公式(1))。均相芬顿反应一般利用Fe²⁺催化H₂O₂产生羟基自由基(·OH)(公式(2))。缺点是Fe²⁺在pH中性范围生成大量氢氧化亚铁并最终转为氢氧化钠铁沉淀，降低了催化剂的催化效率。

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂ (1)

Fe²⁺+H₂O₂→Fe³⁺+OH^-+·OH (2)

气体扩散电极技术早在1983年由格罗夫发现，此后气体扩散电极在电池领域、环境监测及消毒和水处理领域都得到了广泛的应用。在水处理领域的应用一般采用气体扩散电极作为阴极，通过阴极上氧还原反应产生过氧化氢，构成电芬顿、类芬顿体系以处理废水。

郁青红等(2006)制备了石墨/PTFE气体扩散电极并应用于过氧化氢的生成，结果表明在阴极电位为-0.55V，pH为3电解液Na₂SO₄浓度为0.1mol/L时，H₂O₂的生成量可达60mg/L。矫彩山(2007)等采用自制的活性炭/乙炔黑气体扩散电极，在电流密度为75mA/cm²，初始pH为3，曝气量为5L/min的条件下，对初始浓度为80mg/L的苯酚降解1h后，其去除率达到了75％。

为了进一步提高气体扩散电极的性能，文献中已经报道一些较好的阴极材料，如碳/聚PTFE气体扩散电极、碳纳米管/PTFE气体扩散电极、活性炭/乙炔黑和石墨电极等。Mahmoud Zarei等(2011)分别以碳/PTFE气体扩散电极和碳纳米管/PTFE气体扩散电极为阴极电化学处理C.I.Basic Yellow28(BY28)废水，结果表明在碳纳米管/PTFE气体扩散电极表面过氧化氢的生成量是碳/PTFE气体扩散电极的3倍，且在前10min对BY2的降解率分别为96％和62％。王中旭(2011)通过乙基蒽醌对石墨/聚四氟乙烯气体扩散电极进行修饰改性，提高了反应过程中过氧化氢的生成，而通过将过氧化氢与Fe²⁺结合形成芬顿体系，进一步加快了纤维素的裂解。