[发明专利]一种碳毡负载铈掺杂α-FeOOH纳米片阵列电极及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种碳毡负载铈掺杂α‑FeOOH纳米片阵列电极及其制备方法与在电芬顿水处理中的应用，制备方法包括首先配制含有铁源与铈源的水溶液；之后加入甘油与导电碳毡，并进行水热反应，再经过后处理即得到纳米片阵列电极；该纳米片阵列电极可作为阴极材料，用于电芬顿反应去除有机污染物。与现有技术相比，本发明制备的铈掺杂α‑FeOOH纳米片阵列负载碳毡电极合成方法简单、无金属溶出、重复利用性能稳定、高矿化率，在工业废水处理中具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于水处理催化材料技术领域，涉及一种碳毡负载铈掺杂α-FeOOH纳米片阵列电极及其制备方法与在电芬顿水处理中的应用。

背景技术

由于水体安全对所有生物物种都至关重要，因此水污染物的控制严重影响全球健康和经济发展。芬顿反应是一种有效的水污染控制策略，通过纳米结构酶模拟物产生强氧化性的羟基自由基(·OH,E0＝2.80V/SHE)，进而将水中的有机污染物氧化为无机态。值得注意的是，电解芬顿(EF)工艺由于能够在阴极原位产生过氧化氢(H₂O₂)，避免了传统芬顿反应中H₂O₂的高成本生产运输、存储等难题，而成为一种具有潜力的污水处理技术。目前该技术的最大障碍之一是缺少具有高H₂O₂生成能力和·OH转化效率的双功能超高效催化剂，另一个障碍是催化剂必须负载在便携的电极上如导电碳毡(CF)。这两个方面阻碍了电芬顿反应对难降解污染物的有效去除。为克服上述障碍，以非贵金属为核心的高级催化功能化的CF阴极作为一种极具前景的方法而逐渐成为该领域的重要研发方向，并引起了人们的广泛关注。

在均相芬顿反应中，金属离子的加入会造成二次污染，产生含金属污泥，且回收困难。使用纳米材料修饰的CF电极进行非均相电芬顿反应可以解决难降解污染物去除的技术挑战。铁(Fe)催化剂作为一种典型的H₂O₂活化剂，天然资源丰富，对环境友好，在电芬顿过程中具有作为阴极材料的潜力。铈(Ce)作为一种稀土元素，在H₂O₂存在下能够进行氧化还原循环，并在类芬顿反应中表现出与铁相似的催化活性。Xu等人发现纳米氧化铈(CeO₂)可以提高Fe₃O₄的催化活性，并具有较少几何约束的二维(2D)纳米薄片表现出大量暴露活性位点以及优越的电子转移和快速质量传输等优点。此外，在无粘结剂的情况下，在CF衬底上生长具有空间取向的二维纳米片，可以避免纳米材料的聚集，对于废水处理更加实用。相对于模板和表面活性剂的常规合成方法，在温和条件下合成层状双羟基(LDHs)和类LDH纳米片更为可取。

由于Fe(II)能增强Ce(IV)/Ce(III)价态循环，在二维纳米片纳米边缘锚定铁和铈作为高性能EF阴极具有巨大的潜力。最近一种“准反向乳液”溶剂热法被报道在水和甘油之间的微观不均一环境中生成中空纳米结构。与常见的水热法合成Fe-LDH所用的OH^-释放沉淀剂氟化铵不同，甘油无毒，无腐蚀性。更重要的是，水和甘油之间的任意溶解度比例能够产生丰富的微界面。此外，常用的方法中发现二维纳米片结构存在明显的不均匀和团聚，导致暴露的Fe和Co的活性位点有限，阻碍电化学活性以及催化活性。然而，在甘油的存在下，可以制备出由二维纳米薄片组成的、具有均匀非聚集结构的类似海胆的Fe-LDH空心球。