[发明专利]一种具有降解性能的碳纳米管电催化膜及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有降解性能的碳纳米管电催化膜及其制备方法。本发明催化膜以有机滤膜为基础骨架材料，将碳纳米管粉末通过真空抽滤固定到有机滤膜上，然后再把具有电催化活性的金属纳米颗粒负载到膜上，即通过电化学吸附方法、按照一定比例引入具有电催化活性的金属阳离子，在一定温度梯度内通过水浴加热实现金属氧化物纳米颗粒修饰并负载在碳纳米管基膜上。本发明方法：首先对碳纳米管粉末进行预处理以去除杂质，然后，将一定质量的碳纳米管粉末均匀地抽滤到作为骨架材料的有机滤膜上，接下来将碳纳米管基膜作为阴极，放置于按一定比例配制的含有特定金属阳离子的电解质溶液中，在外加直流电场作用下完成电化学吸附；最后进行水浴加热。本发明易于实现大规模生产，适用范围广。

技术领域

本发明属于功能分离材料制备及水处理技术领域，具体涉及一种具有高通量和高污染物降解效率的碳纳米管(CNTs)电催化膜材料制备及其修饰方法。

背景技术

水资源危机是当前社会面临的最大挑战之一。人类在使用水资源过程中存在的严重浪费以及污染，使得人类可以获取的清洁水源总量正在持续减少。据联合国估计，全球大约7.8亿人无法获得安全清洁的饮用水。近年来，大量的工业废水和生活污水进入水体环境，对人类、水生生物、水生态环境的安全造成了严重威胁。尤其是水体环境中存在的一些具有高毒性的难以降解有机污染物，随着时间延长，在食物链中富集，对人类及其他生物具有长期慢性的毒性，甚至有致癌、致畸作用，严重影响人体健康。

近年来，电催化膜技术受到广泛关注，并有望成为一种非常重要的水处理方法。电催化膜技术是将电化学催化氧化技术和传统的膜分离技术集成而产生的一种新型水处理技术，在电场作用下，电催化膜产生羟基自由基·OH、O^2-等具有强氧化性的基团，通过氧化作用降解水中的有机污染物和微生物，同时还通过膜分离作用截留污染物。相对于单一使用膜分离技术通过物理分离作用实现水的处理，这种电催化膜集成技术能更有效的将污染物降解，更符合环境保护要求。但由于受到膜材料、负载催化剂及制备工艺等技术限制，电催化膜技术常出现的降解电流效率低、能耗高的问题，极大限制了其大规模的工业化应用。

目前，国内电催化膜材料主要有煤基碳、石墨烯、Ti₄O₇和金属钛等，通过在膜上负载催化剂可以提高膜的电化学性能。现有的电催化膜制备方法主要有溶胶凝胶法、水热法和化学气相沉积法等，工艺较为复杂，而且使用这些方法制备的电催化膜难以应用于连续式处理装置。有研究证明，在相同条件下，连续式处理装置的动力学参数和污染物降解效果是间歇式处理装置的10倍以上。能够应用于连续式处理装置的电催化膜需要同时满足三个方面的要求：1)形成无粘合剂掺杂的导电网络；2)形成机械稳定的三维多孔结构；3)用于修饰电催化膜表面的纳米催化剂的电催化活性高、毒性小。溶胶凝胶法和水热方法可以有效将纳米催化剂负载到膜表面，但是在制备过程中需要添加一定量的导电物质或粘合剂，以降低电化学阻抗并增加结构稳定性。化学气相沉积法虽然可以制备结构稳定无粘合剂的膜，但是基膜材料多为金属基，无法形成多孔的网络结构，不能应用于连续式处理装置。