一种复合阴极电极及其制备方法和应用_2

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根据本发明,在步骤(4)中,将步骤(3)制备的复合阴极电极前体浸渍在过氧化物 酶溶液中的时间可以为l_3h,优选为1. 5-2. 5h,更优选为2h。
[0044] 根据本发明,所述介孔碳的制备方法为软模板法或硬模板法。在本发明中,软模板 法是以三嵌段聚合物为模板剂,以酚醛树脂或蔗糖为碳源,以正硅酸乙酯为硅源,合成介孔 碳;而硬模板法是以硅基有序介孔材料为模板,以酚醛树脂或蔗糖为碳源,合成介孔碳。
[0045] 根据本发明,具体地,所述介孔碳的软模板制备方法可以包括以下步骤:
[0046] (a)将三嵌段聚合物模板剂溶解在乙醇_盐酸溶液中,依次加入正硅酸乙酯、酚醛 树脂或蔗糖(碳源),经蒸发、热聚合,得到薄膜状物质;
[0047] (b)将形成的薄膜状物质放入管式炉中碳化;
[0048] (c)去除模板剂。
[0049]根据本发明,具体地,所述介孔碳的硬模板制备方法可以包括以下步骤:
[0050] (d)将硅基有序介孔材料分散在酚醛树脂或蔗糖(碳源)的乙醇溶液中,搅拌均匀 后进行固化、碳化;
[0051] (e)去除模板剂。
[0052] 根据本发明,所述软模板法模板剂可以为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷 三嵌段共聚物(P123,平均分子量为5800)或PE0-PP0-PE0三嵌段聚合物(F127,平均分子量 为12600);所述硬模板法模板剂可以为介孔娃SBA-15。
[0053] 根据本发明,在步骤(a)中,所述蒸发条件可以包括:蒸发的温度可以为室温,蒸 发的时间可以为5-15h;所述热聚合的条件可以包括:热聚合的温度可以为80-KKTC,热聚 合的时间可以为15_30h。
[0054] 根据本发明,在步骤(a)中,所述模板剂、所述乙醇、所述正硅酸乙酯、所述盐酸以 及所述酚醛树脂或蔗糖(碳源)的用量的重量比可以为1 :5_10 :1_4 :4_10 :1_5,优选为1: 6-9:1-3:5-8:2-4。
[0055] 根据本发明,在步骤(b)中,所述碳化条件可以为:在200-400°C温度下保温2_5h, 然后再在750-KKKTC温度下保温l_3h。
[0056] 根据本发明,在步骤(d)中,所述固化条件可以包括:固化的温度可以 为80-100°C,固化的时间可以为l_3h;所述碳化条件可以包括:碳化的温度可以为 750-1000°C,碳化的时间可以为3-8h。
[0057] 根据本发明,在步骤(d)中,所述SBA-15、所述乙醇、所述酚醛树脂或蔗糖(碳源)的 用量的重量比可以为1 :10-40 :1-5,优选为1 :20-30 :1-3。
[0058] 根据本发明,所述介孔C〇304的制备方法为硬模板法,在本发明中,所述介孔C〇304 的制备方法以介孔硅SBA-15为模板材料,以硝酸钴为钴源,采用硬模板法合成的。具体地, 所述介孔C〇304的制备方法可以包括以下步骤:
[0059] (f)将改性剂3-氨丙基三乙氧基硅烷加入到模板剂SBA-15的乙醇溶液中,搅拌后 加入硝酸钴,室温搅拌,蒸干溶剂;
[0060] (g)煅烧;
[0061] (h)去除模板剂。
[0062] 根据本发明,在步骤(f)中,所述SBA-15、所述乙醇、所述3-氨丙基三乙氧基硅烷、 所述硝酸钴的用量的重量比可以为1 :5_20 :1-5 :5-15,优选为1 :10-15 :2-4 :6-10。
[0063] 根据本发明,在步骤(g)中,所述焙烧的条件可以包括:焙烧的温度可以为 550-700°C,焙烧的时间可以为l_3h。
[0064] 根据本发明,在步骤(c)、(e)和(h)中,所述去除模板剂的溶液可以为HF溶液,且 所述模板剂与所述HF溶液的用量的重量比可以为1 :20-35。
[0065] 本发明还提供了由上述所述的制备方法制备的复合阴极电极。
[0066] 本发明还提供了采用本发明以及采用本发明的制备方法制备的复合阴极电极在 污水处理上的应用。
[0067] 以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中,介孔材料比表面积 (BET)的测定是将待测样品在300°C真空脱附处理3h,采用的仪器为美国Micromeritics ASAP2010型测定仪。采用荧光法检测电极产生的羟基自由基,以对苯二甲酸作为? 0H捕 获剂,利用对苯二甲酸与*〇H生成荧光性物质,间接检测?0!!:以Ti/Pb02电极为阳极,实 施例制备电极为阴极,电解液组成为〇. 5mmol/L对苯二甲酸,2.Ommol/LNaOH和0. 25mol/ LNa2S04,电流密度为lOmA/cm2, 2-羟基对苯二甲酸采用RF-6500荧光光谱仪(日本 JASC0)测定,激发波长和发射波长分别为315nm和425nm。化学耗氧量CODcr的测定参照 GB11914-89,五日生化需氧量B0D5的测定参照HJ505-2009。实施例中用到的主要试剂正硅 酸乙酯、3-氨丙基三乙氧基硅烷、辣根过氧化物酶、氯过氧化物酶、F127、P123、硝酸钴均购 自Sigma公司,其余试剂均为分析纯,所配溶液均使用去离子水。
[0068]实施例1
[0069] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备的Ti/介孔碳-介孔C〇304-辣根过氧化 物酶复合阴极电极
[0070] 1)金属基体前处理:
[0071] 用砂纸打磨钛(多孔态)表面,然后放入0. 05mol/L的草酸溶液中,煮沸30min,蒸 馏水清洗后备用。
[0072] 2)介孔碳的制备:
[0073] (a)将2. 0gPE0-PP0-PE0三嵌段聚合物F127模板剂溶于12g无水乙醇和10mL盐 酸的乙醇-盐酸溶液中,搅拌均匀,然后依次加入2g正硅酸乙酯和4g蔗糖,搅拌2h,将混合 物转移至蒸发皿中,在室温下蒸发l〇h,然后将蒸发皿放入100°C干燥箱中热聚合24h,形成 薄膜状物质;
[0074] (b)将形成的薄膜物质放入管式炉中于氮气气氛下进行碳化,350°C保温3h,900°C 保温2h,即得到有序介孔碳-氧化硅复合物;
[0075] (c)用50mLl. 0mol/L的HF溶液除去氧化硅,室温下搅拌24h,离心、洗涤、干燥,得 到介孔碳。测得介孔碳的比表面积为1510m2/g。
[0076] 3)介孔C〇304的制备:
[0077] (f)取2gSBA-15分散于30mL无水乙醇中,搅拌均匀,然后将3-氨丙基三乙氧基 硅烷8g加入到模板剂SBA-15的乙醇溶液中,搅拌均匀后,加入20g硝酸钴,室温搅拌24h 后,蒸干溶剂;
[0078] (g)将得到的复合物在600°C煅烧2h;
[0079] (h)用70mLl.Omol/L的HF溶液除去SBA-15模板,室温下搅拌24h,离心、洗涤、干 燥,得到介孔C〇304。测得介孔C〇304的比表面积为950m2/g。
[0080] 4)Ti/介孔碳-介孔C〇304电极:
[0081] 取步骤2)制备的介孔碳100mg和步骤3)制备的介孔Co30445mg溶于250mL正丁 醇制成涂液。再将涂液喷涂在预处理过的多孔钛上,于l〇〇°C下烘干,然后在340°C温度下 烧结2h,反复操作至涂液完全涂完。制备成复合阴极电极前体Ti/介孔碳-介孔C〇304电 极,涂层厚度为8iim。
[0082] 5)辣根过氧化物酶的固定:
[0083] 用磷酸二氢钠-柠檬酸缓冲液配制100mL浓度为150mg/L的辣根过氧化物酶溶 液,然后将步骤4)制备的复合阴极电极前体Ti/介孔碳-介孔C〇304电极浸渍在该辣根过 氧化物酶溶液中,超声震荡lh后,得到Ti/介孔碳-介孔C〇304-辣根过氧化物酶复合阴极 电极。
[0084] 实施例2
[0085] 本实施例在于说明采用本发明的方法制备的Zr/介孔碳-介孔C〇304-氯过氧化物 酶复合阴极电极。
[0086] 1)金属基体前处理:
[0087] 用砂纸打磨金属锆(金属网)表面,然后放入浓度为10%的氢氟酸溶液中清洗 3-5min,蒸馏水清洗后备用。
[0088] 2)介孔碳的制备:
[0089] (a)将2. 0g聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物P123模板剂溶 于18g无水乙醇和16mL盐酸的乙醇-盐酸溶液中,搅拌均匀,然后依次加入6g正娃酸乙酯 和8g鹿糖,搅拌2h,将混合物转移至蒸发皿中,在室温下蒸发12h,然后将蒸发皿放入100°C 干燥箱中热聚合24h,形成薄膜状物质;
[0090] (b)将形成的薄膜物质放入管式炉中于氮气气氛下进行碳化,400°C保温3h,800°C 保温2h,即得到有序介孔碳-氧化硅复合物;
[0091] (c)用70mLl. 0mol/L的HF溶液除去氧化娃,室温下搅拌24h,离心、洗涤、干燥,得 到介孔碳。测得介孔碳的比表面积为1520m2/g。
[0092] 3)介孔C〇304的制备:
[0093] (f)取2gSBA-15分散于20mL无水乙醇中,搅拌均匀,然后将3-氨丙基三乙氧基 硅烷4g加入到模板剂SBA-15的乙醇溶液中,搅拌均匀后,加入12g硝酸钴,室温搅拌24h 后,蒸干溶剂;
[0094] (g)将得到的复合物在700°C煅烧1. 5h;
[0095] (h)用60mLl. 0mol/L的HF溶液除去SBA-15模板,室温下搅拌24h,离心、洗涤、干 燥,得到介孔C〇304。测得介孔C〇304的比表面积为930m2/g。
[0096] 4)Zr/介孔
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