[发明专利]一种双功能复合生物质碳基材料及应用、一种双功能复合碳基电极及其制备方法

说明书

本发明属于电动修复降解环境有机污染物技术领域，具体涉及一种双功能复合生物质碳基材料及应用、一种双功能复合碳基电极及其制备方法。本发明提供一种双功能复合生物质碳基材料，包括第一生物质碳基材料和第二生物质碳基材料，所述第一生物质碳基材料为多孔碳材料，所述第一生物质碳基材料具有高度石墨化的结构，所述第一生物质碳基材料的层状结构的边缘富含含氧官能团；所述第二生物质碳基材料包括碳基底和负载于所述碳基底表面的锰氧化物纳米颗粒。本发明提供的双功能复合生物质碳基材料在外加电场的作用下处理含有有机污染物的污水时，本发明提供的双功能复合生物质碳基材料能够高效率的产生大量·OH，实现有机污染物高效降解。

技术领域

本发明属于电动修复降解环境有机污染物技术领域，具体涉及一种双功能复合生物质碳基材料及应用、一种双功能复合碳基电极及其制备方法。

背景技术

传统的电动修复处理环境有机污染，主要是基于电场产生的电迁移和电渗流来驱动氧化剂等物质的迁移，从而提高污染物的去除效率；而事实上，阴阳电极附近是发生氧化还原最活跃的地方，大量的电能消耗在了阳极的析氧反应和阴极的析氢反应中，增加能耗的同时，改变了环境pH值等性质，有造成二次污染的风险。

利用阳极反应自产氧化剂是当今电动修复的热门研究之一，常用的电极包括掺硼金刚石、形稳电极和铂电极等，可以直接或间接产生·OH、Cl·、SO₄^-·等对有机污染物进行降解，然而这些电极材料成本较高，在实际应用中受限较大。因此，目前利用阳极反应自产氧化剂进行电动修复最为可行的解决方法是基于双电子的O₂电催化还原反应，在阴极原位产生H₂O₂，这个过程还可以在一套系统里面耦合水的析氧反应(OER)，以达到仅仅利用水、氧气和电能来产生H₂O₂的目的。

但是在实际应用中，由于电子利用率低，大量电能被消耗在了O₂的四电子还原反应，直接产生了H₂O，导致产生的H₂O₂含量太少，不足以用于降解有机污染物；而且，产生的双氧水由于没有被活化，导致产生的活性氧自由基(·OH)含量低，无法实现原位高效降解有机污染物。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种双功能复合生物质碳基材料及应用、一种双功能复合碳基电极及其制备方法。本发明提供的双功能复合生物质碳基材料在外加电场的作用下，能够快速生成并原位活化H₂O₂，应用于电动处理含有有机污染物的污水时，有机物降解效果好且降解效率高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双功能复合生物质碳基材料，包括第一生物质碳基材料和第二生物质碳基材料，所述第一生物质碳基材料为多孔碳材料，所述第一生物质碳基材料具有高度石墨化的结构，所述第一生物质碳基材料的层状结构的边缘富含含氧官能团；所述第二生物质碳基材料包括碳基底和负载于所述碳基底表面的锰氧化物纳米颗粒。

优选的，所述第一生物质碳基材料和所述第二生物质碳基材料的质量之比为1:(0.1～10)。

优选的，所述锰氧化物纳米颗粒包括MnO纳米颗粒和Mn₂O₃纳米颗粒；所述锰氧化物纳米颗粒的粒径为5～20nm。

优选的，所述第一生物质碳基材料的制备方法包括以下步骤：

在保护气体中，将豆科植物的植株进行热解，得到第一生物质碳基材料；所述热解的温度为500～900℃，所述热解的保温时间为1～8h；由室温升温至所述热解温度的升温速率为1～5℃/min。

优选的，所述豆科植物包括大豆、豌豆、蚕豆、苜蓿、三叶草、黄花草木樨、儿茶、决明、苦参、鸡血藤中的一种或多种。

优选的，所述第二生物质碳基材料的制备方法包括以下步骤：