[发明专利]一种用于废水处理的过渡金属掺杂二氧化铅电极及其制备方法和应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种用于废水处理的过渡金属掺杂二氧化铅电极及其制 备方法，属于材料化学、环境电化学和废水处理技术领域。

(二)背景技术

电催化氧化是通过阳极产生的羟基自由基作为主要氧化剂，利用它的 强氧化性将难降解的有机污染物逐步降解为有机小分子中间体，最后矿化 为二氧化碳和水的过程。电催化氧化技术具有不消耗或很少消耗化学试 剂、不带来二次污染、操作简单、氧化能力强、反应条件温和、占地面积 小等优点，是高效的环境污染物降解技术，同时被称为环境友好技术。而 电催化氧化技术的关键与核心在于电极材料性能，在电化学反应器中，电 极材料是实现电化学反应及提高电流效率的关键因素，电极材料的不同可 以使电化学反应速度发生数量级上的变化。因此，电极材料除了制备成本 应尽可能低廉外，还必须具备导电性能好、析氧电位高、稳定性能好及催 化活性高等特点。

研究人员在这几十年来已经开发了各式各样的阳极电极材料，包括 石墨电极、贵金属电极、硼掺杂金刚石(BDD)电极和金属氧化物电极 如RuO₂、IrO₂、PbO₂、SnO₂、TiO₂等。石墨电极是电化学处理废水方法 中最早使用的电极材料，价格低廉，但强度差，催化活性低，无法有效地 去除或降低污染物的毒性。贵金属Pt、Au等电极价格昂贵，析氧电位低， 大部分的电流都消耗在产生氧气的过程，并且极易被含硫有机物、氧化中 间产物、CO等物质污染而丧失其电催化活性，导致电流效率急剧下降。 硼掺杂金刚石电极析氧电位高，催化性能好，但其制备工艺复杂，成本高， 尤其是对大面积的生产而言。金属氧化物电极在电化学工业中有着其特殊 的地位，特别是DSA电极(DimensionallyStableAnodes)的问世并实现 工业化以来，大大提高了电极的稳定性及电解效率，为氯碱工业带来了一 场革命。相比之下，RuO₂、IrO₂这类金属氧化物电极对有机污染物的催 化氧化效率不高；TiO₂氧化物材料是近年来研究的热点，但更适用于光 催化氧化材料或光催化氧化的电极材料；二氧化锡电极则有一个明显的缺 陷：电极寿命太短。而二氧化铅电极具有催化性能好、析氧电位高、导电 性好、制备方法简单、价格低廉等优势，是一种被普遍认为有应用前景的 电极材料。二氧化铅电极通常在陶瓷、金属钛以及其他金属材料基体上通 过电沉积制得。由于钛金属具有良好的防腐性、热导率小、表面易于物理 和化学加工处理等优点，是制备二氧化铅电极理想的基体材料。

目前，钛基二氧化铅电极已经成功应用于无机和有机化合物电解生 产和环境污染控制等方面。但在使用过程中，研究者发现Ti/PbO₂电极活 性有待进一步的提高，同时还存在PbO₂活性层与基体结合力差、活性层 不稳定、电极寿命短等问题。为此，一些研究工作对钛基二氧化铅电极进 一步改进。一种方法是在钛基体和二氧化铅活性层之间引入锡、锑中间层 作为过渡，可以大大地减小二氧化铅活性层与钛基体之间的内应力。另一 种方法是将一些外部元素掺入电极表面活性层中，其目的是改善电极电催 化活性层的微观结构，改善电极表面活性和提高稳定性。目前，稀土掺杂 电极能产生多方面的影响，但目前全球稀土储量有限，针对稀土替代产品 的研发迫在眉睫。相对于稀土元素特殊的4f轨道，过渡金属的d轨道也 有一定的优势。为此，我们提出将过渡金属掺杂到二氧化铅电极的表层中， 以提高电极的催化活性及使用寿命。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种用于处理难降解废水的二氧化铅电极的制 备方法，该电极是利用电沉积的方法，将过渡金属掺杂到钛基含氟二氧化 铅电极的表层中，制得的过渡金属掺杂二氧化铅电极造价低、活性高、寿 命长。

本发现采用的技术方案是：

一种用于废水处理的过渡金属掺杂二氧化铅电极，所述过渡金属掺杂 二氧化铅电极从内到外依次由钛基体、热沉积在钛基体上的锡锑氧化物底 层、电沉积在锡锑氧化物底层上的α-PbO₂中间层和电沉积在α-PbO₂中间 层上的掺杂过渡金属的含氟β-PbO₂活性层组成；所述过渡金属为锰、铁、 钴、镍、钇或锌中的一种或者两种以上的组合，优选为锰、镍、钴或锌；