[发明专利]核壳式铁碳微电解材料高效Fenton催化剂的制备及应用

说明书

本发明提供了一种用于催化降解环境水样中高毒有机污染物的核壳式铁碳微电解(Fe‑Pd/C)纳米催化剂及其制备方法。该催化剂源自于铁金属有机框架材料(Fe‑MOFs)。Fe‑MOFs由机械化学法制备，经过高温碳化后形成由石墨化碳外壳(C)和零价铁(Fe⁰)和纳米钯复合材料组成的核壳式Fe‑C微电解材料。在水样中核壳式Fe‑Pd/C的零价铁阳极向碳阴极源源不断的输送电子并释放Fe²⁺；碳外壳的保护使得溶液中铁离子水解后的产物不会附着在零价铁表面，进而不影响微电解反应；而内核中的纳米钯颗粒可促进Fe³⁺/Fe²⁺转化，降低催化剂表面pH，使Fenton反应可在pH3‑6的范围内进行。该催化剂稳定性好，可多次重复利用，非常适合用高级氧化技术Fenton反应去除环境水样中苯酚等污染物。

技术领域

本发明属于高毒污染物处理技术领域，涉及一种核壳式铁碳微电解纳米材料的规模化制备及其作为Fenton催化剂降解污染物的应用。

背景技术

微电解技术是目前处理高浓度有机废水的一种理想工艺，又称内电解法。它是在不通电的情况下，利用填充在废水中的微电解材料自身产生1.2V电位差对废水进行电解处理，以达到降解有机污染物的目的。反应中，在金属阳极产生的了初生态的Fe²⁺，在碳阴极产生了原子H，它们具有高化学活性，能改变废水中许多有机物的结构和特性，使有机物发生断链、开环等作用。但是铁碳微电解的还原性总体上强于氧化性，因此该技术对有机污染物的矿化能力较弱。为了提高铁碳微电解材料处理工业废水的效率，人们向废水中投加适量的H₂O₂溶液，与废水中的Fe²⁺组成Fenton试剂，Fe²⁺可以催化H₂O₂分解产生羟基自由基。羟基自由基具有极强的氧化能力，特别适用于难降解有机废水的治理。

传统上微电解工艺所采用的微电解材料一般为铁屑和木炭，使用前要加酸碱活化，使用的过程中很容易钝化板结，又因为铁与炭是物理接触，之间很容易形成隔离层使微电解不能继续进行而失去作用，这导致了频繁地更换微电解材料，不但工作量大成本高还影响废水的处理效果和效率。另外，传统微电解材料表面积太小也使得废水处理需要很长的时间，增加了吨水投资成本，这都严重影响了微电解工艺的利用和推广。

因此，开发新型铁碳微电解材料对于高效处理工业废水具有重要意义。理想的微电解材料应该具有比表面积大、比重轻、活性强、电流密度大、作用水效率高等特点，并且避免运行过程中的填料钝化、板结等现象。将其用于水环境样品中高毒有机污染物苯酚化合物的去除有广阔的应用前景。相关文献可参考：

[1]Z.M.Yang,Y.P.Ma,Y.Liu,Q.S.Li,Z.Y.Zhou,Z.Q.Ren,Degradation oforganic pollutants in near-neutral pH solution by Fe-C micro-electrolysissystem,Chem.Eng.J.315(2017)403-412.

[2]X.Y.Zhu,X.J.Chen,Z.M.Yang,Y.Liu,Z.Y.Zhou,Z.Q.Ren,Investigating theinfluences of electrode material property on degradation behavior of organicwastewaters by iron-carbon micro-electrolysis,Chem.Eng.J.338(2018)46–54.

[3]I.Sirés,E.Brillas,Remediation of water pollution caused bypharmaceutical residues based on electrochemical separation and degradationtechnologies:A review,Environ.Int.40(2012)212-229.