[发明专利]一种Cu掺杂Fe2

说明书

一种Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡阴极的制备及应用，属于电化学水处理技术领域。本发明以CoOx原位刻蚀改性的多孔石墨毡为基体，以硝酸铜、硝酸铁、尿素和氯化铵的水溶液为生长液，通过水热反应，在多孔石墨毡表面上生长Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒，获得Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡材料。Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡应用于非均相电芬顿体系能够电催化生成H₂O₂的同时原位催化H₂O₂生成·OH，无需外部投加催化剂，而且该电极具有高效降解有机污染物能力，较宽的pH应用范围以及良好的稳定性。

技术领域

本发明属于电化学水处理技术领域，涉及到一种Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡阴极的制备方法及其在非均相电芬顿体系中的应用，主要用于水中有机污染物的电化学氧化降解。

背景技术

高级氧化法是一种利用自由基(羟基自由基或硫酸根自由基等)对污染物进行无选择性攻击并最终将其矿化为CO₂、H₂O的技术。高级氧化法具有反应迅速、适用范围广、反应条件温和、操作简单、环境友好、无需高温高压等优点，尤其在处理抗生素等有害废水方面更具优势，已经成为最具应用前景的水处理技术之一。高级氧化技术可分为电化学氧化(电芬顿、阳极氧化)、光催化、臭氧催化氧化等。其中电芬顿法作为一种绿色、高效、清洁的电化学氧化技术，近年来被广泛应用于降解水体中的有机污染物。电芬顿氧化技术是通过氧气在阴极上发生二电子还原反应生成过氧化氢，过氧化氢与催化剂(Fe²⁺)反应生成具有强氧化性的羟基自由基，快速高效地去除水体中的有机污染物。然而，均相电芬顿体系易受pH的影响，而且反应过后溶液中的铁离子还会对环境造成二次污染。

非均相电芬顿技术可以有效拓展电芬顿体系的pH应用范围以及避免对环境造成二次污染，成功解决了均相电芬顿技术存在的问题。目前已报到非均相电芬顿催化剂中，将过渡金属活性组分组装到电极上构建的双功能阴极材料能够电催化生成H₂O₂的同时原位催化H₂O₂生成·OH，并且具有循环使用操作简单、无需额外投加催化剂等优点，在电催化降解中发挥了重要作用。然而，报道的双功能阴极材料大多存在H₂O₂的产生和活化效率低、脱落和溶解等问题，极大地影响了电极的电催化性能和稳定性，从而限制了其在水处理中的大规模应用。

发明内容

针对提高双功能阴极的电催化性能和稳定性，本发明提出了一种通过一步水热法将过渡金属活性组分生长到多孔石墨毡上，制备出具有良好稳定性和高催化活性的Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡阴极，应用于非均相电芬顿体系能够电催化生成H₂O₂的同时原位催化H₂O₂生成·OH，对水体中的有机污染物进行高效降解。

一种Cu掺杂Fe₂O₃纳米颗粒/多孔石墨毡阴极的制备方法，包括以下步骤：

(1)将石墨毡用丙酮超声浸泡30min，再用去离子水超声清洗数次除去残留的丙酮，干燥，最后将石墨毡放入高温气氛炉中500℃高温处理3h；

(2)以步骤(1)所得的预处理后的石墨毡为基体，以醋酸钴为金属前驱体，通过CoOx原位刻蚀技术制备多孔石墨毡，优选具体步骤为：将预处理后的石墨毡浸泡于含1g/L醋酸钴的乙醇溶液中，超声处理20min，然后取出放置在室温下干燥12h；将所得的载有醋酸钴晶体的石墨毡置于高温气氛炉中，在空气氛围中，先后依次经过300℃恒温1h和400℃恒温1h，最后得到多孔石墨毡；