一种刻蚀碳材料及其制备方法和应用

本发明涉及光电阴极材料，尤其涉及一种刻蚀碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、使用电化学工艺去除各种废水中的非生物降解的有机和无机污染物(如染料、药品、有害物质、重金属)以及使用电化学工艺生产清洁能源是最近许多研究的重点。有几种不同类型的电化学反应可用于有效处理废水：光电光电阴极、电芬顿、电吸附、电氧化和电还原等；也有几种不同类型的电化学反应可以有效的生产清洁能源：电光电阴极分解水制氢、电光电阴极制过氧化氢等。在这方面，电化学技术比其他物理化学处理方法有一些优势，因为它们使用多功能的直接/间接反应，有紧凑的模块配置，涉及简单的操作过程，并能提供活性化学剂。然而，目前普通的电化学方法在处理有机物及重金属污染或生产清洁能源的效率不高。而提升电化学工艺的效率最佳的办法是改变所使用的电极材料。

2、碳材料是一种受欢迎的电化学应用的候选电极，这归因于其非凡的性能，如廉价的可用性，稳定的性能，强的耐化学性和良好的导电性。然而，由于原始碳材料的比表面积较差，导致吸附活性位点较少，从而限制了原始碳材料在应用中的效率。

3、因此，如何提高碳材料的比表面积，增加其吸附活性位点，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种刻蚀碳材料及其制备方法和应用，本发明提供的制备方法制备得到的刻蚀碳材料比表面积大，表面粗糙度高，同时吸附活性位点高，吸附性能好，催化性能优异。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种刻蚀碳材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将碳材料与碱溶液混合后进行改性处理，得到改性碳材料；

5、(2)将所述步骤(1)得到的改性碳材料在惰性气氛下进行热处理，得到刻蚀碳材料。

6、优选地，所述步骤(1)中碳材料为碳毡、碳布、碳纸、碳纤维和石墨碳电极中的任意一种。

7、优选地，所述步骤(1)中碳材料在进行改性处理前先进行预处理，所述预处理的方式为依次用强极性有机溶剂和去离子水对碳材料进行超声清洗，然后将清洗后的碳材料进行干燥。

8、优选地，所述步骤(1)中的碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱溶液的浓度为1～5m。

9、优选地，所述步骤(1)中改性处理的时间为12～24h。

10、优选地，所述步骤(2)中惰性气氛为氩气或氮气。

11、优选地，所述步骤(2)中热处理的温度为600～1200℃，热处理的保温时间为0.5～10h，热处理的升温速率为2～10℃/min。

12、本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的刻蚀碳材料。

13、本发明提供了上述技术方案所述刻蚀碳材料在光电催化降解铀和有机物共存废水、电催化分解水、电催化生产过氧化氢或电芬顿降解有机物中的应用。

14、优选地，所述刻蚀碳材料在光电催化降解铀和有机物共存废水中应用的方式为：以半导体材料作为光阳极，以刻蚀碳材料作为阴极，浸没在含有铀和有机污染物的电解质溶液中，然后将光阳极和碳阴极通过外电路连接，最后进行光辐照降解。

15、本发明提供了一种刻蚀碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳材料与碱溶液混合后进行改性处理，得到改性碳材料；(2)将所述步骤(1)得到的改性碳材料在惰性气氛下进行热处理，得到刻蚀碳材料。本发明提供的刻蚀碳材料在高温条件下利用碱性刻蚀液对碳材料进行改性处理，既可以在碳材料表面引入含氧官能团，同时增加碳材料表面的粗糙度，提高了碳材料的比表面积；制备方法简单、成本低，制备得到的刻蚀碳材料高效、稳定，在各种电化学技术相关领域的应用都具有优异的性能。实施例的结果显示，本发明提供的制备方法制备得到的刻蚀碳材料表面比较粗糙，有很多孔隙，且具有更强的石墨化程度和晶格缺陷；和原始碳毡相比，刻蚀碳材料的o1s与c1s的峰面积比(o/c比)增加，表明刻蚀碳材料含氧官能团的数量增加；利用本发明制备的刻蚀碳材料作为阴极，在50min内对铀的降解效率可以达到99.8％，在20min内对盐酸四环素的去除率可以达到接近100％，对双酚a(bpa)、对硝基苯酚(pnp)、环丙沙星(cip)、阿特拉津(at)、磺胺甲恶唑(smz)和布洛芬(ibu)均具有很高的降解率，同时对铀也有很好的降解效果；此外，刻蚀碳材料也具有很好的循环稳定性能，可多次重复利用。

技术特征：

1.一种刻蚀碳材料的制备方法，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳材料为碳毡、碳布、碳纸、碳纤维和石墨碳电极中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中碳材料在进行改性处理前先进行预处理，所述预处理的方式为依次用强极性有机溶剂和去离子水对碳材料进行超声清洗，然后将清洗后的碳材料进行干燥。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的碱溶液为氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液，所述碱溶液的浓度为1～5m。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中改性处理的时间为12～24h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中惰性气氛为氩气或氮气。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中热处理的温度为600～1200℃，热处理的保温时间为0.5～10h，热处理的升温速率为2～10℃/min。

8.权利要求1～7任意一项所述制备方法制备得到的刻蚀碳材料。

9.权利要求8所述刻蚀碳材料在光电催化降解铀和有机物共存废水、电催化分解水、电催化生产过氧化氢或电芬顿降解有机物中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述刻蚀碳材料在光电催化降解铀和有机物共存废水中应用的方式为：以半导体材料作为光阳极，以刻蚀碳材料作为阴极，浸没在含有铀和有机污染物的电解质溶液中，然后将光阳极和碳阴极通过外电路连接，最后进行光辐照降解。

技术总结
本发明提供了一种刻蚀碳材料及其制备方法和应用，属于光电阴极材料技术领域。本发明提供的刻蚀碳材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳材料与碱溶液混合后进行改性处理，得到改性碳材料；(2)将所述步骤(1)得到的改性碳材料在惰性气氛下进行热处理，得到刻蚀碳材料。本发明提供的刻蚀碳材料在高温条件下利用碱性刻蚀液对碳材料进行改性处理，既可以在碳材料表面引入含氧官能团，同时增加碳材料表面的粗糙度，提高了碳材料的比表面积；制备方法简单、成本低，制备得到的刻蚀碳材料高效、稳定，在各种电化学技术相关领域的应用都具有优异的性能。

技术研发人员：曾庆意,高贝贝,王荣忠,唐国龙,张清彦,曾庆明,文艳君,吴羽研
受保护的技术使用者：南华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12