一种制备超亲水超疏油电极材料的方法
【专利摘要】本发明提供了一种制备超亲水超疏油电极材料的方法，属于功能材料【技术领域】，涉及在传统电极表面构筑具有超亲水超疏油性能的特殊浸润性电极的方法。本发明采用了在传统的电极材料表面进行微纳激光刻蚀柱状阵列的方法，通过食人鱼洗液对刻蚀好的柱状阵列进行化学刻蚀，并利用王水进一步对其进行化学腐蚀和处理，形成具有微纳多级结构的复合表面，使得电极表面与水的接触角由70°降低到小于10°，水下与油滴的接触角由60°增大到160°，从而得到具有超亲水超疏油性能的特殊浸润性电极。本发明的制备方法和操作流程简单，通过制备具有特殊浸润性的电极表面，使其实现对电解质溶液持续有效的电解。
【专利说明】一种制备超亲水超疏油电极材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能材料【技术领域】，具体涉及在电极表面仿生构筑一种具有超亲水超疏油性能的电极材料，解决了现有的电极在有机电解中油性产物对电极的附着，从而使电流下降、电解效率降低的技术问题。
【背景技术】
[0002]近年来，随着工业和生活用品对各类化合物需求的不断提高，工业和生活废水对水体环境、流域及居民健康造成的影响也日益加大，且随着工业化进程的进一步深入而趋于严重。水污染不仅会造成数额巨大的经济损失，更直接危害居民的饮用水安全。在工业和生活污水污染物排放中，表面活性剂占有较大的比重，且基于其独特的双亲性(亲水和亲油)基团的作用，很难在水体中进行清除。表面活性剂的过度使用和任意排放已给自然界的水体和流域造成了严重的污染和破坏。传统方法对水体中的表面活性剂难以实现有效的去除和分离，致使表面活性剂对水体的污染已成迫在眉睫、急需解决的水体污染的关键冋题。
[0003]电化学电解反应为有效解决水体中表面活性剂的污染问题提供了有效的解决方案和方法。然而，传统的电极材料表面由于对电化学电解反应产物的高粘附性，使得反应产物在电极表面附着，难以分离除去，致使电极表面导电性能和电解效率产生显著的下降，并最终使电解反应终止，难以持续稳定的进行。受自然界中动植物特殊浸润性表面的启发，将其特殊浸润性原理引入电极材料表面，仿生构筑具有微纳复合多级结构的特殊浸润性电极，从而提高电化学反应中三相反应界面的效率和稳定性，进一步使反应物与电极表面形成良好的接触，而反应产物与电极表面实现有效的分离，从而提高工作电极的工作效率、延长电极工作寿命，实现对水体中表面活性剂的有效分离和去除。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种制备超亲水超疏油的电极材料，从而能够持续尚效电解清除水中表面活性剂的方法。该方法制备流程简单，利用高精度微米激光刻蚀和化学溶液腐蚀的方法，在传统的电极表面进行加工构筑，从而得到本发明的具有特殊浸润性的电极材料。本发明的能够持续高效电解表面活性剂的电极材料具有在空气中超亲水和在水下超疏油的性质，在水下对油质有机物汽油、润滑油、原油等在其表面接触角均大于150°，而且具有对油滴低黏附的特性。本发明的超亲水超疏油电极材料可应用于含表面活性剂的生活污水处理、分离清除和环境保护等方面。应用该超亲水超疏油电极材料对含有表面活性剂的废水进行处理具有持续、高效、低成本、绿色环保、无需其他化学添加剂、可用于大规模使用等优点。
[0005]本发明提出的制备能够持续尚效电解水中表面活性剂的超亲水超疏油电极材料的方法具体包括以下步骤:
[0006](I)电极表面微米阵列结构的构筑:通过调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到要求尺寸，将微纳激光束聚焦于电极材料表面，利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的阵列刻蚀，得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0007](2)微米阵列电极表面结构的化学修饰:将步骤⑴中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止；
[0008](3)微米阵列电极表面纳米结构的构筑:将步骤⑵中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下进行长时间浸泡，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0009]本发明的优点在于:
[0010](I)本发明提出的制备能够持续尚效电解水中表面活性剂的超亲水超疏油电极材料，其制备方法简单，原理获取方便，易于操作；
[0011](2)本发明提出的制备的超亲水超疏油电极材料，可应用于生活污水处理，含油水体净化，在环保等领域都具有广泛的应用；
[0012](3)本发明提出的制备的超亲水超疏油电极材料，在水下对油的接触角大于150°，且具有低黏附的特性；
[0013](4)本发明提出的制备的超亲水超疏油电极材料，对环境无污染，可循环多次使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明制备具有特殊浸润性电极材料的方法流程示意图；
[0015]图2是本发明制备能够持续高效电解水中表面活性剂的超亲水超疏油电极材料的方法流程图示；
[0016]图3是未采用本发明的现有技术的电极对含表面活性剂的废水进行电解处理的反应前后电极表面的数码照片；
[0017]图4是采用本发明的超亲水超疏油电极材料对含表面活性剂的废水进行电解处理的反应前后电极表面的数码照片。
【具体实施方式】
[0018]下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0019]本发明提出的制备能够持续尚效电解水中表面活性剂的超亲水超疏油电极材料，如图1所示，该方法包含以下几个步骤:
[0020]第一步、电极表面微米阵列结构的构筑:调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到25-250 μ m，将微纳激光束聚焦于电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20_X 15mmX0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为25-250 μπι利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构(如图2所示)；
[0021 ] 所述的电极基底材料可采用惰性电极，由铂、金等惰性材料中的一种或几种构成，优选为铂电极材料。
[0022]第二步、微米阵列电极表面结构的化学修饰:将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约2-6小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0023]第三步、微米阵列电极表面纳米结构的构筑:将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4-10小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0024]米用本发明制备的能够持续尚效电解水中表面活性剂的超亲水超疏油电极材料，经过处理后出现了明显的微纳多级结构。如图3所示，未采用本发明方法处理的传统电极电解后，电极表面黏附较多的有机产物，从而降低了电流效率，使反应最终中断；如图4所示，采用本发明方法处理的超亲水超疏油电极电解后，电极表面并未有有机物黏附和残留，实现了持续高效的电解反应。
[0025]以下实施例仅是对本发明的技术方案作进一步的详细说明，而不是对本发明的技术方案进行限制。
[0026]实施例1
[0027](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到75 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为75 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0028](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0029](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0030]实施例2
[0031](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到75 μπι，将微纳激光束聚焦于金平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为75 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0032](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0033](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0034]实施例3
[0035](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到25 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为25 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0036](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0037](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0038]实施例4
[0039](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到50 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为50 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0040](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0041](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0042]实施例5
[0043](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到100 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为100 μm利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0044](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0045](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0046]实施例6
[0047](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到150 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为150 μπι利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0048](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0049](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡4小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0050]实施例7
[0051](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到75 μπι，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为75 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0052](2)微米阵列电极表面结构的化学修饰:将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0053](3)微米阵列电极表面纳米结构的构筑:将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡6小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0054]实施例8
[0055](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到75 μ m，将微纳激光束聚焦于电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为75 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0056](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0057](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡8小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
[0058]实施例9
[0059](I)调节微纳激光发生器使激光束斑直径达到75 μ m，将微纳激光束聚焦于铂平板电极材料表面，(该电极材料未经过任何处理时无微纳多级结构，只为传统平板电极，尺寸选为20mmX 15mmX 0.5mm)，设定激光束斑的步进间隔尺寸为75 μ m利用微纳激光束对电极表面进行大范围、高精度的逐行正交阵列刻蚀，从而得到具有微米结构阵列的电极表面结构；
[0060](2)将第一步中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°c，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止(约3小时)，取出刻蚀好的电极材料，用去离子水反复冲洗，然后利用氮气吹干待用；
[0061](3)将第二步中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下浸泡10小时，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
【权利要求】
1.一种制备电极材料的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤: (1)电极表面微米阵列结构的构筑:通过调节激光发生器使激光束斑直径达到要求尺寸，将激光束聚焦于电极材料表面，利用激光束对电极表面进行阵列刻蚀，得到具有微米结构阵列的电极表面结构； (2)微米阵列电极表面结构的化学修饰:将步骤(I)中预处理好的微米结构阵列电极浸入配置好的食人鱼洗液中浸泡，并置于电磁加热器上，控制温度在100°C，恒温加热至食人鱼洗液不再冒出气泡为止； (3)微米阵列电极表面纳米结构的构筑:将步骤(2)中预处理好的微米阵列电极浸入配置好的王水中，在室温下进行长时间浸泡，待微米阵列结构经化学腐蚀形成纳米结构后，取出浸泡的电极，分别用乙醇和去离子水清洗，并用氮气吹干，得到具有特殊浸润性的电极表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光发生器所激发的激光束斑的直径为25-250 μ m，所述的激光发生器所激发的激光波长为700_800nm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是:所述的激光刻蚀方法是利用数控技术为基础，激光为加工媒介，使加工材料在激光照射下瞬间熔化或气化。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是:所述的电极为惰性电极，由惰性材料中的一种或多种构成。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是:所述的激光刻蚀的微米结构阵列为微米柱状阵列，相邻的两个柱状结构之间的间距是25 μπι-250 μπι。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是:通过调节所述的相邻的两个柱状结构之间的间距，能够控制电极表面的浸润性状态。
7.根据权利要求1、2或6所述的方法，其特征是:所述的激光刻蚀的柱状阵列的直径为微米级尺度。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是:所述步骤(2)中的利用食人鱼洗液浸泡反应的时间是2-6小时。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征是:所述的食人鱼洗液是将浓硫酸与过氧化氢溶液按体积比2.3-3: I进行配制。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是:所述步骤(3)中的利用王水浸泡反应的时间是4_8小时。
【文档编号】C25B11/02GK104478043SQ201410758772
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】江雷, 刘克松, 苏彬, 杨帅 申请人:北京天恒盛通科技发展有限公司