[发明专利]一种负载三金属碳纳米纤维电芬顿阴极及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种负载三金属碳纳米纤维电芬顿阴极及其制备方法与应用。该阴极材料具有具有较大的比表面积和孔体积，较高的还原电位和更快的电子转移速率，该异相电芬顿体系只需30min就能对恩诺沙星达到100％的降解率，并获得较高的H₂O₂(130mg/L，0.86mg/L/min)和·OH(36mg/L，0.24mg/L/min)的产率和生成速率。连续运行五次后，该阴极仍对恩诺沙星具有较高的降解效率和较低的金属离子浸出率。本发明公开的电芬顿阴极材料稳定性好，导电性能优良，无需外部投加H₂O₂和Fe²⁺，处理周期短，不产生二次污染，具有大规模生产和实际应用的潜力。

技术领域

本发明属于环境功能材料和电化学水处理技术领域，涉及异相电芬顿三金属碳纳米纤维阴极，特别涉及一种负载三金属碳纳米纤维电芬顿阴极的制备及应用。

背景技术

随着世界各地环境中抗生素检出数据的增加，人们逐渐认识到抗生素的危害。抗生素可以通过市政污水排放、地表冲刷及渗滤等方式进入到人类赖以生存的环境，即使以微量浓度(ng/L)存在的抗生素，也可能导致耐药菌和耐药基因的产生。此外，抗生素也可随着食物链或食物网向顶端动植物富集，对人体健康造成危害。因此，在其渗透环境之前尤其是水资源之前，从废水中快速高效地去除抗生素是非常必要的。

近年来，以产生强氧化性自由基为主体的电化学高级氧化法由于具有分解有机污染物的能力强、处理周期短、应用前景广阔等优点而备受关注。电芬顿技术是一种极具代表性的电化学高级氧化技术，其反应过程中产生的羟基自由基(·OH)可以无选择的降解有机污染物，相比传统芬顿技术，H₂0₂能够在阴极上原位产生，减少甚至避免了化学试剂的使用，降低了运输和储存的风险，同时Fe²⁺可以在阴极还原再生。然而，均相电芬顿技术对pH的响应范围窄，目前仅适用于处理酸性废水(pH＝2～4)，反应后还会产生大量的含铁污泥，增加处理成本。

异相电芬顿催化剂的出现，在一定程度上克服了上述缺点，一方面，其可以实现催化剂的重复利用，减少甚至避免了含铁污泥的产生，另一方面又能有效拓宽pH的响应范围，因此设计催化活性高、稳定性好的异相电芬顿催化剂引起了科研人员的广泛关注。专利CN107601624B用负载型活性炭纤维作为阴极，利用水中的溶解氧在阴极表面电化学快速原位还原生成H₂O₂，H₂O₂与负载在碳阴极表面的铁离子或铜离子络合物激发反应生成·OH，氧化降解布洛芬等有机污染物。专利CN 112408668 A用铁-单宁酸衍生物修饰石墨毡作为阴极，铂电极作为阳极来降解甲基橙，该阴极材料由于铁-单宁酸衍生物的修饰，可提供电芬顿反应的铁源，拓宽了pH应用范围，强化了石墨毡的H₂O₂产生效率和电芬顿的氧化效果。专利CN 111153470 A以负载钴颗粒碳毡的电芬顿阴极材料作为电化学工作站的工作电极，以普通碳毡材料作为电化学工作站的对电极，并在阴极附近通入氧气，氧气在阴极材料表面还原成H₂O₂，H₂O₂与负载在碳毡阴极表面的钴离子激发反应生成·OH，氧化降解污水中的甲基橙、罗丹明和刚果红。