[发明专利]一种电沉积双金属修饰活性炭纤维电极的改性方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种活性炭纤维电极的改性方法，尤其涉及一种具有催化析氢性能的电沉积双金属修饰活性炭纤维电极的改性方法，主要用于水中氧化性污染物的催化还原，属于电化学水处理的技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展速度加快，人类活动对环境造成的污染也越来越严重，特别是对水资源造成的污染问题，已成为制约经济发展的关键性因素。在水污染问题中，由氧化性污染物造成的水体污染逐渐加重，这些氧化性污染物主要有硝酸盐、高氯酸盐、溴酸盐及挥发性有机物质如氯仿等。氧化性物质中最具代表性的污染物是硝酸盐，但溴酸盐在饮用水体中的污染问题也非常具有代表性。溴酸盐是由于给水中存在溴离子，在采用臭氧消毒或加氯消毒后产生的有毒致癌副产物。它在水中性质非常稳定，一经形成很难去除。在动物实验中发现溴酸盐使动物细胞出现肿瘤，还可以导致细胞DNA的损伤。成年人一次服用14g溴酸钠时，在30min内会出现呕吐。腹部疼痛，腹泻和尿闭，在12小时内会产生耳聋症状。虽然缺乏人类长期接触溴酸盐后的研究数据，在毒理致癌性分级上，溴酸盐被国际癌症研究机构定为2B级(较高致癌可能性)的潜在致癌物。2004年世界卫生组织最新的《饮用水水质准则》中将溴酸盐限值从25μg/L修订为10μg/L。2007年7月在全国范围内实施的新《生活饮用水卫生标准》中，规定饮用水中溴酸盐的最大浓度限值为10μg/L。

由于溴酸盐已经直接危及人体健康乃至生命安全，且一经形成很难被降解，因此，许多研究者开发了一系列相应的溴酸盐去除方法。常见的技术方法有活性炭吸附法、纳米零价铁还原法和生物降解法。由于活性炭的吸附能力有限，且吸附效能会随着处理时间的延长而不断降低；纳米零价铁对溴酸盐的去除效率很高，但其在空气中极容易氧化；生物降解法分解溴酸盐后，还需要进行后续处理，以去除水中生物和产生的代谢产物。因此，上述方法在实际水体中的应用都受到一定限制。电催化还原技术因为其反应速度快、无二次污染、反应条件温和等，逐渐成为国内外研究的热点之一。在电化学反应体系中，电极处于“心脏”地位，是实现电催化反应及提高电流效率，降低能耗的关键因素，因此，寻找和研制催化活性好、稳定性高的电极材料，具有很强的实际意义。

由于电催化反应发生在电极表面，因此电极表面积大小、析氢电位高低是影响电极催化性能的关键因素。活性炭纤维由于比表面积大，吸附性能好，价格适宜而成一种较好的电极材料。此外，为了提高电极的选择性或使其拥有某种特定的电化学性质，采用化学修饰方法将某种功能性物质引入电极表面已经成为电极改性的通用技术。常用的电极修饰方法主要包括:浸渍法、热分解法和电沉积法。目前，采用碳纤维为载体，利用电沉积双金属修饰活性炭纤维的方法及其对溴酸盐的催化还原并未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种电沉积双金属修饰活性炭纤维电极的改性方法，具有稳定性高、催化效果好、析氢电位低的特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

技术方案之一：

所述电沉积双金属修饰活性炭纤维电极的改性方法，包括以下步骤：

(1)取活性碳纤维浸没于无水乙醇中，25℃的超声条件下处理2～6h，而后采用去离子水冲洗至中性，并在80℃条件下干燥2～6h；

(2)将步骤(1)处理过的活性碳纤维为阴极，铂片为阳极，置于金属钯(Pd)相应的可溶性盐溶液中，在直流电源条件下电沉积，制得电沉积单金属修饰活性炭纤维电极；

(3)将步骤(2)制备的电极经烘干冷却至室温后，作为阴极，铂片为阳极，置于金属镍(Ni)的可溶性盐溶液中，在直流电源条件下电沉积，制得电沉积双金属修饰活性炭纤维电极。

步骤(2)所述金属钯(Pd)相应的可溶性盐为15～60mmol/L的硫酸钯、硝酸钯和氯化钯溶液。

步骤(3)所述金属镍(Ni)相应的可溶性盐为15～60mmol/L的硫酸镍、硝酸镍和氯化镍溶液。

步骤(2)和步骤(3)所述电沉积的电流密度为8.0～12.0mA·cm^-2，沉积时间为20～50min，镀液pH值为4～7，镀液温度为50～80℃。

技术方案之二：

所述电沉积双金属修饰活性炭纤维电极在氧化性污染物水体处理中的应用。

所述氧化性污染物为硝酸盐、高氯酸盐和溴酸盐中的一种或数种。

具体操作为：在含氧化性污染物水体中插入电沉积双金属修饰活性炭纤维电极作为阴极，石墨棒作为阳极，阴、阳极室之间用质子交换膜隔开，氧化性污染物在阴极室中被催化还原。