利用3D技术制备Ti4O7电极的方法、多孔三维Ti4O7电极及应用

本发明涉及电化学电极制造领域技术，尤其是指一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法与应用。

背景技术：

电化学氧化技术在废水处理方面的应用最大优势在于处理效率高、操作条件温和、自控方便等。阳极产生的羟基自由基可以在电极表面无选择性的与各种难降解有机物以不同的扩散速率发生氧化反应。电化学氧化对有机污染物的去除率在很大程度上取决于阳极材料的性质，因此，提高阳极材料的电化学性能尤为重要。

阳极作为电化学氧化装置的重要组件极大地影响污染物降解性能。

亚氧化钛具有卓越的电化学性能，因此把其作为阳极材料应用于电化学高级氧化中对难降解有机物具有促进作用，但电极的质量较大程度上受到人为操作因素和外界实验条件的影响。如何提高亚氧化钛电极的制作效率及增加电极表面活性位点成为改进该技术的主要问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供利用3d技术制备ti4o7电极的方法、多孔三维ti4o7电极及应用，其解决了如何提高亚氧化钛电极的制作效率及增加电极表面活性位点的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将容器中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的粉末为经过预处理的ti4o7粉末；

(3)混料：以质量百分数计，预处理的ti4o7粉体质量百分数为50％～90％，高分子粘结剂环氧树脂质量百分数为10％～50％；将所述预处理的ti4o7粉体和高分子粘结剂环氧树脂按照质量百分数进行混合，再放入球磨仪进行机械混合和研磨，使预处理ti4o7粉体与高分子粘结剂环氧树脂达到完全均匀混合；

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的三维模型电极并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中得的混合粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待混合粉末完成铺设后，利用刮料板将超过设定厚度的混合粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1mm-0.2mm；

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距为0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s；

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度；然后，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将容器中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的粉末为经过预处理的ti4o7粉末；

(3)混料：以质量百分数计，预处理ti4o7粉末的质量百分数为45％～85％，聚合物尼龙12的质量百分数为10％～45％，无水乙醇的质量百分数为5％～10％；将所述预处理的ti4o7粉末、聚合物尼龙12和无水乙醇按照质量百分数进行混合，并受热熔合且搅拌，使聚合物尼龙12充分溶解于无水乙醇中；在混合物冷却过程中，聚合物尼龙12在无水乙醇中的溶解度下降，并以陶瓷颗粒为核析出，最后将剩余的无水乙醇进行抽滤回收，剩余混合物烘干、过筛获得聚合物覆膜陶瓷粉末；

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的三维模型电极并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中的聚合物覆膜陶瓷粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待聚合物覆膜陶瓷粉末完成进料后，利用刮料板将超过设定厚度的聚合物覆膜陶瓷粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1mm-0.2mm；

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s；

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将烧杯中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的新粉末为经过预处理的ti4o7粉末；

(3)混料：以质量百分数计，预处理的ti4o7粉末的质量百分数为45％～85％，硬脂酸粉体的质量百分数为10％～45％，无水乙醇的质量百分数为5％～10％；将所述预处理的ti4o7粉末、硬脂酸粉体和无水乙醇按照质量百分数进行混合，并放入球磨仪高速球磨，使硬脂酸充分溶于无水乙醇，对得到的混合物加热并搅拌，使混合物蒸发至剩下所需混料，再将混料经过烘干、碾磨、过筛获得硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末；

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的电极三维模型并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中的硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末完成进料后，利用刮料板将超过设定厚度的硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1-0.2mm；

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距为0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s；

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

作为一种优选方案，打印的所述三维ti4o7电极浸泡氨水中处理获得丰富的孔结构。

作为一种优选方案，所述氨水浓度为0.2wt％～20wt％，浸泡处理时间为1～40小时。

一种多孔三维ti4o7电极，使用一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法制成。

作为一种优选方案，在其表面和截面存在5微米到50微米的介孔，其孔隙率约为94.0-97.8％。

一种多孔三维ti4o7电极在污水处理中作为阳极的应用。

本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知，

通过使用本发明3d打印技术打印出的三维ti4o7电极，其实现了微生物电化学系统中具有孔隙结构的三维电极的制造，表面活性点排布更多，具有更高的孔隙率和比表面积，更有利于微生物的附着和生长。该三维ti4o7电极作为阳极应用到污水处理时，相较二维ti4o7电极作为阳极对废水的降解率大大提升。

为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明多孔三维ti4o7电极结构示意图及局部放大图。

具体实施方式

第一实施例：

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；其纯度达99.99％以上，且ti4o7粉末为60～100μm孔径大小的ti4o7多孔粉末。

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将容器中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的粉末为经过预处理的ti4o7粉末；研磨后的ti4o7粉末更加的细腻。

(3)混料：以质量百分数计，预处理的ti4o7粉体质量百分数为50％～90％，高分子粘结剂环氧树脂质量百分数为10％～50％；将所述预处理的ti4o7粉体和高分子粘结剂环氧树脂按照质量百分数进行混合，再放入球磨仪进行机械混合和研磨，使预处理ti4o7粉体与高分子粘结剂环氧树脂达到完全均匀混合。该方法操作简单，对设备要求低，制粉周期短，在充分混合时可制备出满足sls成型要求的混合粉末。

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的三维模型电极并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中得的混合粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待混合粉末完成铺设后，利用刮料板将超过设定厚度的混合粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1mm-0.2mm。利于3d打印机，可完成自动铺粉，且铺设的粉末层厚度可精准控制。

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距为0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s。激光对扫描的粉末烧结，烧结的粉末烧结连接。

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度，即下降0.1mm-0.2mm高度；然后，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

第二实施例：

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将容器中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的粉末为经过预处理的ti4o7粉末；

(3)混料：以质量百分数计，预处理ti4o7粉末的质量百分数为45％～85％，聚合物尼龙12的质量百分数为10％～45％，无水乙醇的质量百分数为5％～10％；将所述预处理的ti4o7粉末、聚合物尼龙12和无水乙醇按照质量百分数进行混合，并受热熔合且搅拌，使聚合物尼龙12充分溶解于无水乙醇中；在混合物冷却过程中，聚合物尼龙12在无水乙醇中的溶解度下降，并以陶瓷颗粒为核析出，最后将剩余的无水乙醇进行抽滤回收，剩余混合物烘干、过筛获得聚合物覆膜陶瓷粉末；

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的三维模型电极并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中的聚合物覆膜陶瓷粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待聚合物覆膜陶瓷粉末完成进料后，利用刮料板将超过设定厚度的聚合物覆膜陶瓷粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1mm-0.2mm；

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s；

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

第二实施例与第一实施例不同在于步骤(3)混料的不同，第二实施例混料采用“溶解沉淀法”制备的覆膜ti4o7粉体流动性更好，成分更加均匀，在铺粉、烧结过程中，不易出现偏聚现象，电极在后处理时收缩变形小，内部组织也更均匀。

第三实施例：

一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法，包括有以下步骤；

(1)选材：选取纳米级的ti4o7粉末为原料；

(2)预处理：以重量分计，取2份ti4o7粉末，0.2-0.5份无水乙醇，放入容器中混合；再利用加热磁力搅拌器在90℃的条件下将烧杯中混合液体加热至干燥；然后放入烘箱，并设定烘箱温度为60°并烘烤10h；接着将烘烤完成的粉剂放入球磨仪进行研磨，所得到的新粉末为经过预处理的ti4o7粉末；

(3)混料：以质量百分数计，预处理的ti4o7粉末的质量百分数为45％～85％，硬脂酸粉体的质量百分数为10％～45％，无水乙醇的质量百分数为5％～10％；将所述预处理的ti4o7粉末、硬脂酸粉体和无水乙醇按照质量百分数进行混合，并放入球磨仪高速球磨，使硬脂酸充分溶于无水乙醇，对得到的混合物加热并搅拌，使混合物蒸发至剩下所需混料，再将混料经过烘干、碾磨、过筛获得硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末；

(4)3d建模：使用三维制图软件绘制出所需要打印的电极三维模型并设定3d打印参数；

(5)铺设打印粉末：将(3)中的硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末铺设于3d打印机中的升降平台与刮料板之间的区域，待硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末完成进料后，利用刮料板将超过设定厚度的硬脂酸覆膜ti4o7复合粉末刮除得到设定厚度的打印粉末层，每层打印粉末层厚度一致，其厚度为0.1-0.2mm；

(6)激光扫描：3d打印机中的激光头发出激光光束按照设定的程序扫描打印粉末层，使区域内扫描的打印粉末相互结合在一起，激光预热温度为50-70℃，烧结温度为1200-1600℃，激光功率为5-10w，扫描间距为0.1mm-0.2mm，扫描速度为1500-2000mm/s；

(7)平台下降：扫描完一层打印粉末层后，3d打印机中的升降平台按照设定的程序下降单一打印粉末层的高度，依次重复步骤“铺设打印粉末-激光扫描-平台下降”，直至使多层打印粉末层烧结成(4)中绘制的三维模型电极；

(8)余料清除：将3d打印完成的电极取出用水冲洗，清除电极上未打印的粉末，获得三维ti4o7电极。

第三实施例与第一实施例、第二实施例不同在于步骤(3)混料的不同，实施例三采用的“溶剂蒸发法”制得的复合粉体接近球状，硬脂酸均匀地包覆在每颗ti4o7粉体上，因此制备得到的复合陶瓷粉体流动性好。

通过3d打印技术可控制打印电极层数，可以制备不同厚度电极；通过调整打印速度，可以获得不同宽度电极；通过3d打印技术，可以实现丰富的孔道结构，有利于电解液渗透；且3d打印陶瓷材料目前得到迅速发展，具有精度高、周期短、个性化制作成本相对较低等优势，为投入到工程生产中提供了巨大的方便。

在第一实施例机械混合粉体的激光烧结过程中，由于ti4o7粉体与高分子粘结剂是随机分布的，故既存在高分子熔体向ti4o7粉体表面的浸润和铺展过程，也存在高分子同类表面之间的粘结过程。而在第二实施例溶解沉淀法的激光烧结过程中，由于ti4o7粉体颗粒完全被高分子粘接剂所包覆，故在激光扫描时基本为高分子粘结剂本身接受扫描，因此仅发生高分子同类表面间的粘结。由于同类物质间的粘结速率远大于异相物质间的浸润与粘接速率，因而在使用相同种类和含量的粘接剂时，溶解沉淀法的烧结速率大于机械混合粉体。此外，相对于机械混合粉体，溶解沉淀法粉体激光选区烧结的成型效果较好，但其粉体的制备周期长，对设备要求高。而在第三实施例溶剂蒸发法得到的ti4o7粉体更接近球状更饱满，且流动性更好，后续制作成的电极表面活性点更多。

打印的所述三维ti4o7电极浸泡氨水中处理获得丰富的孔结构。可选地，所述氨水浓度为0.2wt％～20wt％，浸泡处理时间为1～40小时。其一实施例中将打印的三维ti4o7电极放入20wt％氨水中并浸泡7小时。

如图1是一种多孔三维ti4o7电极，使用一种利用3d技术制备ti4o7电极的方法制成。且在其表面和截面存在5微米到50微米的介孔，其孔隙率约为94.0-97.8％。孔隙结构具有良好的导电性，良好的生物相容性；能够显著提高微生物电化学系统载菌量和电子传输速率。

且一种多孔三维ti4o7电极在污水处理中作为阳极的应用，用于对污水进行去污处理。

比较例：

对比例一：使用二维ti4o7电极作为阳极。

将上述三个实施方式得到的三维ti4o7电极作为阳极和对比例一中的二维ti4o7电极作为阳极用于处理含有0.5mm的1,4-二氧六环(1,4-d)模拟有机废水，支撑电解质为20mm的硫酸钠，阴极为不锈钢，在电流密度为10ma/cm²的条件下电解一小时，第一实施得到的三维ti4o7电极作为阳极对1,4-d的平均降解率为94.3％。第二实施得到的三维ti4o7电极作为阳极对1,4-d的平均降解率为99.7％。第三实施得到的三维ti4o7电极作为阳极对1,4-d的平均降解率为99.9％，对比例一中的二维ti4o7电极作为阳极对1,4-d的平均降解率为58.8％。这说明3d打印后的三维ti4o7电极作为阳极反应活性位点明显增加，催化活性提升很多。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。