[发明专利]基于金属离子与有机物吸附的MOFs碳化材料电化学阴极的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种基于金属离子与有机物吸附的MOFs碳化材料电化学阴极的制备方法，包括以下步骤：1）吸附饱和的MOFs的碳化；2）电化学阴极的制备。本发明还公开了该电化学阴极及其应用。该电化学阴极可用于电催化PMS、电化学/O₃等水处理体系。该制备方法扩大了MOFs材料的利用领域，实现资源的二次利用，碳化后材料具备多孔结构、过渡金属氧化物丰富，催化活性优异，原位产生双氧水能力强，该电化学阴极结构稳定，电催化活性高，连续工作性能优异，能高效矿化水中氟喹诺酮抗生素。

技术领域

本发明属于水处理深度净化领域，涉及一种基于金属离子与有机物吸附的MOFs碳化材料电化学阴极的制备方法及应用。

背景技术

近几年里，以MOFs为前体制备碳基材料成为了新的热门题目。MOFs材料中含有的有机配体，为碳化提供了碳源，在没有外加碳源的情况下也可以碳化为碳基材料或者是碳基-金属纳米材料，在真空加热的过程中，旧的孔隙结构会发生变化，形成新的孔隙结构。若是在有氧的环境下进行加热，则金属中心会氧化，得到以MOFs为前体衍生的多孔金属氧化物，此外，对有一种以上金属位点的MOFs材料进行加热，可以衍生出多孔混金属氧化物。

氟喹诺酮是一种对抗革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的抗生素，对细菌的DNA造成不可逆的损伤，使细菌不再复制，由于其抗菌谱广、造价低廉、副作用轻，广泛应用于人类医疗、动物医疗等领域，在养殖行业中也作为促生长剂使用。氟喹诺酮主要来自于医疗废水、制药废水，畜牧行业产生的排泄物若不经适当处理，亦会将代谢未完全的药物中间体带入环境中，药物中间体若是保留着喹诺酮的活性基团，药理作用不会消失。氟喹诺酮会干扰微生物活动，传统的污泥净水法无法有效将其降解，导致大量带有氟喹诺酮的污水排入水环境，且长期在水中赋存，水中的氟喹诺酮会对水体中的细菌施加定向选择压力，促使抗药基因的水体中扩散，加速培育出人畜共患且具有抗药性的细菌，此外，氟喹诺酮会经动物摄食进入食物链中，在食物链中浓度逐级增加，人类若误食此类食物，体细胞复制的效率会受到影响，将无法有效地对抗菌类感染。鉴于以上提及的种种原因，必须设计出一种高效、清洁的方法降解水中的氟喹诺酮。

电化学以及臭氧耦合工艺对水中的臭氧进行电解，产生氧化能力极强的羟自由基，能够将大部分的有机污染物氧化降解为无机物，电化学/臭氧体系具有一系列优势，如降解效果好、能耗小、清洁干净、不会产生二次污染物等。已有多项研究表明该体系能够有效处理医用废水，并对抗生素进行预处理，预处理后的中间产物可经污泥净水工段完全去除。电极是电化学/臭氧体系的重要组成部分，碳化MOFs材料具有发达的三维孔隙结构，得到的碳化材料用于制备电极，这一体系可高效降解水中污染物，实现水中有机物的彻底矿化，实现对水质的良好控制。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种原位产生双氧水能力强，该电化学阴极结构稳定，电催化活性高，连续工作性能优异，能高效矿化水中氟喹诺酮抗生素的基于金属离子与有机物吸附的MOFs碳化材料电化学阴极的制备方法及应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于金属离子与有机物吸附的MOFs碳化材料电化学阴极的制备方法，所述方法包括以下步骤：

1)将吸附有金属离子或有机物的金属有机骨架化合物MOFs离心分离后置于管式电炉内，在惰性气体保护下高温焙烧，冷却后研磨，得到碳化MOFs材料；

2)将步骤1)制备得到的碳化MOFs材料与促导剂、造孔剂和无水乙醇或聚乙二醇混合物后超声，加入粘结剂后在恒温水浴下搅拌至橡皮状的混合物；将橡皮状的混合物包裹在泡沫镍上，添加乙醇后压制成型，随后在惰性气体保护的条件下焙烧，再用80-100℃水洗涤，自然风干后即得到碳化MOFs材料的电化学阴极。

作为优选，本发明所采用的步骤1)金属离子是铜离子、铁离子、锰离子以及钴离子中的一种或多种的组合；所述有机物是POPs或PPCPs。