[发明专利]铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法及砷污染水体处理方法

说明书

本发明提供了一种铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法及砷污染水体处理方法，所述铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法包括如下步骤：将Fe源、Co源、NH₄F以及尿素溶解于水中，搅拌混合均匀得到混合溶液；将所述混合溶液转移至放置有基底的反应釜中，将反应釜加热到80℃~180℃进行反应，反应完毕后进行清洗、干燥，得到原位生长于基底上的氢氧化物前驱体；将原位生长于基底上的氢氧化物前驱体进行煅烧，获得铁掺杂四氧化三钴电极。采用本发明的技术方案，Fe‑Co₃O₄在基底上原位生长，与基底结合牢固，生长均匀，其作为阳极，对水中的三价砷具有高效的去除速率，并能深度去除，通过其氧化作用可有效降低水中砷的毒性。

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法及砷污染水体处理方法。

背景技术

剧毒重金属砷在天然水体中主要以电中性的亚砷酸As（III）和带负电的砷酸As（V）氧阴离子两种无机形式存在，前者的毒性比后者高25~60倍，并且更难去除。纳米粉体金属氧化物吸附剂对水中的As（III）具有出色的净化性能，但是，此类过程需要添加氧化剂，增加了运营成本和二次污染的风险。此外，纳米粉体吸附剂容易团聚而影响吸附效率，此外粉体催化剂从水相中分离也比较麻烦，因此粉体吸附剂很难应用于实际处理过程中。

电化学工艺因其较低的维护要求和无二次污染的风险是一个绿色可控的选择。本质上，阳极具有将As（III）持续氧化为As（V）的潜力，而带正电的阳极应更有利于带负电的As（V）阴离子的吸附。然而，传统电化学氧化吸附过程往往需要通过持续曝气产生氧化活性物种提升氧化效率，而且吸附效率比较低，难以达到深度去除的目的。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法及砷污染水体处理方法，其中Fe-Co₃O₄阳极催化氧化三价砷转化为毒性较小的五价砷同时作为吸附剂捕获溶液中的砷，实现水中的砷完全去除，解决了三价砷难以被传统电化学氧化技术高效深度去除的难题，实现砷污染水体处理领域的突破。

对此，本发明采用的技术方案为：

一种铁掺杂四氧化三钴电极的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，将Fe源、Co源、NH₄F以及尿素溶解于水中，搅拌混合均匀得到混合溶液；

步骤S2，将所述混合溶液转移至放置有基底的反应釜中，将反应釜加热到80℃~180℃进行反应，反应完毕后进行清洗、干燥，得到原位生长于基底上的氢氧化物前驱体；

步骤S3，将原位生长于基底上的氢氧化物前驱体进行煅烧，获得铁掺杂四氧化三钴电极，也就是铁掺杂四氧化三钴纳米阵列电极，简称“Fe-Co₃O₄电极”。

采用此技术方案制备得到的铁掺杂四氧化三钴电极，Fe-Co₃O₄原位生长于基底上，形成纳米刷阵列，为单块集成纳米阵列催化剂，无需牺牲催化活性保持稳定的结构，比表面积大，易于暴露更多的活性位点，该电极作为阳极用于砷污染水体进行电催化反应处理时，电极上的Fe-Co₃O₄可催化氧化三价砷转化为毒性较小的五价砷，同时Co₃O₄表面上Co³⁺/Co²⁺之间的转化很容易吸附和活化气态氧，从而产生金属氧化物表面上As吸附和氧化的重要活性位点——羟基氧，可吸附捕获溶液中的砷，实现水中的砷完全去除。

作为本发明的进一步改进，所述Fe源中的Fe与Co源中的Co的摩尔比为1：40~60。进一步的，所述Fe源中的Fe与Co源中的Co的摩尔比为1：45~55。进一步的，所述Fe源中的Fe与Co源中的Co的摩尔比为1：48~50。 进一步优选的，所述Fe源中的Fe与Co源中的Co的摩尔比为1：49。