[发明专利]一种用于非均相电芬顿体系的氧化亚铜/碳纳米管/泡沫铜复合电极的制备及应用

说明书

一种用于非均相电芬顿体系的氧化亚铜/碳纳米管/泡沫铜复合电极的制备及应用，涉及电化学水处理技术领域。本发明以泡沫铜为基体，先通过浸渍提拉法使羧基化碳纳米管均匀分布于泡沫铜的三维多孔结构中，然后采用两电极体系在其表面进行电沉积，最后放置于马弗炉中高温煅烧制备得到新型氧化亚铜/碳纳米管/泡沫铜复合电极。本发明方法制作简易，方便可控，反应体系稳定，无需催化剂的回收，无后续污染问题，在中性条件下能够很好的降解有机污染物废水，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明涉及电化学水处理技术领域，具体涉及一种负载氧化亚铜和碳纳米管的新型泡沫铜复合电极的制备方法及该电极在非均相电芬顿体系中的应用。

背景技术：

泡沫铜(Copper Foam，CF)是一种由铜基体和三维孔洞组成的网状结构材料，它与铜板、铜片等实体金属材料相比，不仅具有金属本身导电性好的优良特性，而且还具有比表面积大、透过性能好、比强度高等优点。近年来，泡沫铜作为一种新型功能和结构材料在许多领域开展了广泛的应用研究，在电芬顿体系降解污染物的研究证明了其在水处理领域的应用前景。碳纳米管(Carbon Nanotubes， CNTs)具有比表面积大的特点和优异的电化学催化性能；有研究表明碳纳米管还能提高二电子氧还原产过氧化氢(H₂O₂)的能力且能促进电子转移；在泡沫铜上修饰碳纳米管后，不仅增大了孔隙间的比表面积，也进一步增大了电极的催化活性。

传统的芬顿技术是利用外部投加Fe²⁺和H₂O₂反应生成强氧化性的羟基自由基(·OH)来实现污染物的去除。但是H₂O₂的性质不稳定，在存储过程中有危险性；并且在反应过程中，Fe²⁺会逐渐生成Fe³⁺，当pH＞3时易形成大量难以回收的铁污泥。

非均相电芬顿技术克服了传统芬顿技术中催化剂易损失且不易回收、需要严格的pH调节、极易产生污泥等缺点,逐渐成为了水处理高级氧化技术中的研究热点。通过制备负载金属氧化物的复合电极在水处理过程中作为阴极进行原位的催化氧化能有效避免催化剂难以回收分离的缺点；在近中性条件下，氧化亚铜 (Cu₂O)(含一价铜)能与过氧化氢生成强氧化性的羟基自由基和Cu²⁺,且不会产生污泥，Cu²⁺在电场作用下又能够得电子被还原成Cu⁺，从而拓宽了传统芬顿适用的pH、提高电极的重复使用性。

本发明利用泡沫铜导电性强、三维多孔的结构优势及碳纳米管促进电子转移的能力，利用氧化亚铜良好的催化性能，通过电沉积法使氧化亚铜直接负载在包覆了碳纳米管的泡沫铜上，制备得到一种应用于非均相电芬顿体系的氧化亚铜/ 碳纳米管/泡沫铜复合电极，此电极在近中性条件下进行原位催化降解有机污染物，能实现污染物的高效降解；既拓宽了传统芬顿适用的pH，同时也不会造成二次污染，且无后续催化剂回收的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种用于非均相电芬顿体系的氧化亚铜/碳纳米管/泡沫铜复合电极的制备及应用。本发明合成工艺简单，方便可控，制备的电极在近中性条件下应用于非均相电芬顿体系，催化效果好，克服了传统芬顿需要严格的pH调节、易产生铁污泥、催化剂回收困难的缺点。

一种用于非均相电芬顿体系的氧化亚铜/碳纳米管/泡沫铜复合电极的制备方法，具体步骤如下：

(1)将泡沫铜依次用丙酮、盐酸、无水乙醇浸泡超声清洗，以去除泡沫铜表面的油污及氧化层，真空干燥备用；

(2)将nafion膜溶液(优选质量分数浓度为5wt％)加入到无水乙醇中，配置成质量分数为0.1-0.3wt％的nafion溶液；再将一定质量的碳纳米管(原始碳纳米管及不同官能团化碳纳米管如羧基化碳纳米管、羟基化碳纳米管、氨基化碳纳米管等，优选羧基化碳纳米管)加入到上述nafion溶液中，超声30min，得到均匀的碳纳米管分散液；碳纳米管在分散液中的浓度优选为4-6g/L；