一种Fe骨架‑石墨烯气体扩散电极的制备方法与流程

本发明涉及一种fe骨架-石墨烯气体扩散电极的制备方法，属于气体扩散电极的技术领域。

背景技术：

针对现在存在的有机废水中污染物难降解的问题，高级氧化技术的不断发展，电-芬顿法作为高级氧化技术的一种，由于操作简单、氧化能力强、降解效率高等特点受到人们的广泛关注。然而目前的电-芬顿法处理有机废水只适合在ph范围为2-4的范围内效果较好，然而在近中性条件下铁离子容易产生沉淀而失去催化作用，处理效果变差。为了实现fe²⁺重复利用和拓宽电-芬顿反应对ph值应用范围，将铁金属物固定到电极上，催化产生·oh降解水中污染物已成为电-芬顿技术的发展趋势。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述提出的问题，提供一种以铁骨架为基底的石墨烯气体扩散电极，利用其高于其他电极的性能和降解效果来处理有机废水。

为实现本发明的目的，本发明的实现过程如下：

一种fe骨架-石墨烯气体扩散电极的制备方法，依次包括下述步骤：

步骤(1)：将粉末活性炭、去离子水和无水乙醇按1g∶100ml∶10ml的比例混合，并将0.05g造孔剂nh4hco3掺入其中，再充分搅拌使之均匀。

步骤(2)：将步骤1所得混合液和质量分数10％的ptfe乳液按质量比为80∶1的比例充分混合，再经超声波振荡使其混合均匀。

步骤(3)：将步骤2所得的混合溶液放置一段时间，待该混合物呈粘稠的糊状时将其附着在长为1cm，宽为0.7cm的铁网上，并在油压机上压制成厚度为0.6mm的气体扩散电极。

步骤(1)中粉末活性炭需经过预处理，预处理如下：将1g石墨粉放入烧杯中，加入蒸馏水煮沸1h，除去上层悬浊液后，经真空泵抽滤，将抽滤后的石墨粉置于烘箱中106℃下干燥6h，装入塑料袋中备用。

步骤(3)中铁网需经过预处理，过程如下：将裁剪后的铁网置于无水乙醇中浸泡48h用于去除铁网表面的油污和杂质，浸泡之后，用去离子水冲洗至少三次，置于105℃的干燥箱中干燥12h，将干燥后的铁网放入塑料袋中备用。

使用前，电极需在新鲜丙酮中浸泡24h，以去除其表面残留的乙醇和ptfe中的表面活性物质，最后用去离子水反复冲洗并烘干。

采用上述技术方案，制备的fe骨架-石墨烯气体扩散电极的应用，该电极作为阴极材料应用在电-芬顿体系中对有机废水进行降解。

本实验采用罗丹明b模拟降解废水，将配置好的溶液移入50ml烧杯中，以钛板为阳极，自制fe骨架-石墨烯气体扩散电极为阴极进行降解实验，阴阳极有效面积均为0.7cm²(长1cm宽0.7cm)。罗丹明b浓度为10mg/l，处理体积为50ml，反应时间60min，电流密度为20ma/cm²，电解质(naso4)浓度为0.05mol/l，电极间距1cm，初始ph＝3.0，全程曝气。

与现有技术相比，本发明的优点是：

一、有效避免铁泥的产生：本发明制备的fe骨架-石墨烯气体扩散电极，由于fe骨架-石墨烯气体扩散电极具有多孔结构，因此对有机染料有较强的吸附性能；且fe骨架-石墨烯气体扩散电极厚度较小，有利于气体通过微孔结构由溶液向电极表面的传输。fe骨架-石墨烯气体扩散电极可以避免外加fe²⁺，同时作为阴极在电-芬顿体系中可有效避免铁泥的产生。

二、ph适用范围宽：本产品应用于电-芬顿体系中，不仅在ph范围为2-4的范围内保持高的降解率，同时在中性ph值具有较高的降解率，可达到89.53％以上，因此可以满足对各类有机物废水的降解。

附图说明：

图1为实施例一中fe骨架-石墨烯气体扩散电极与气体扩散电极和镍网石墨烯气体扩散电极的线性扫描曲线图；

图2为实施例一中fe骨架-石墨烯气体扩散电极与气体扩散电极和镍网石墨烯气体扩散电极的循环伏安曲线图；

图3为实施例二中fe骨架-石墨烯气体扩散电极与气体扩散电极和镍网石墨烯气体扩散电极以及碳板在电-芬顿体系中对罗丹明b的降解图；

图4为实施例二中fe骨架-石墨烯气体扩散电极在电-芬顿体系宽ph值下对罗丹明b的降解图。

实施方式如下:

石墨烯气体扩散电极(gde)具有多孔结构，且电极厚度较小，有利于气体通过微孔结构由溶液向电极表面的传输。本发明石墨烯气体扩散电极基底为铁骨架，将铁内化至电极内部，应用于电-芬顿体系中既可以提高了它的氧化效率，又降低了成本，同时可以克服fe²⁺无法重复利用和电-芬顿法处理有机废水中性条件下处理效果差等问题，可以满足对有机物废水的降解。

实施例一：

一种fe骨架-石墨烯气体扩散电极的制备：

将粉末活性炭、去离子水和无水乙醇按1g∶100ml∶10ml的比例混合，并将0.05g造孔剂nh4hco3掺入其中，再充分搅拌使之均匀，然后将所得混合液和质量分数为10％的ptfe乳液按质量比为80∶1的比例充分混合，再经超声波振荡使其混合均匀。放置一段时间，待该混合物呈粘稠的糊状时将其附着在长为1cm，宽为0.7cm的铁网上，并在油压机上压制成厚度为0.6mm的气体扩散电极。使用前，电极需在新鲜丙酮中浸泡24h，以去除其表面残留的乙醇和ptfe中的表面活性物质，最后用去离子水反复冲洗并烘干。

以下通过实施例一制备的fe骨架-石墨烯气体扩散电极与不加石墨烯电极和镍网电极作对比，进行了电化学测定的实验，比较了三者的lsv和cv曲线，实验说明在铁网电极上不仅可以发生可逆的氧化还原反应，而且有利于对有机废水的降解：

如图1所示，铁网电极、镍网电极和不加石墨烯电极在-1v左右呈峰状的原因是由于加入的电压变化速度很快，当达到去氧化剂的分解电压时，该物质在电极上迅速还原，产生很大的电流。由于氧化剂在电极上迅速还原，使其在电极附近的浓度急剧降低，扩散层厚度增加，而溶液主体中的氧化剂来不及扩散到电极，因而电流迅速下降，当电极反应速度与扩散速度达到平衡时，电流就不会再变化，形成峰状电流。而三者比较铁网电极和镍网电极因为是可逆电极所以出现峰状电流，但是对于不可逆电极即不加石墨烯的电极，由于电极反应速度慢，在快速扫描时电极反应速度跟不上氧化速度，伏安曲线将不出现电流。

如图2所示，铁网电极在-0.75v和-0.85v左右出现两个氧化峰，不加石墨烯电极没有出现氧化峰说明其氧化还原性能不好。负向扫描镍网电极在-1.2v左右出现还原峰，铁网电极在-0.85v左右出现还原峰，而不加石墨烯电极同样没有出现峰值。由此表明，铁网电极上可发生氧化还原反应，因为曲线闭合所以产物存在状态比较稳定。由于其出现多组氧化峰，所以在罗丹明b中的氧化还原性能较好，降解效果最好。

实施例二：

本实验采用罗丹明b模拟降解废水，将配置好的溶液移入50ml烧杯中，以钛板为阳极，分别以镍网石墨烯气体扩散电极、不加石墨烯的气体扩散电极和本实施例制得的产品为阴极进行降解实验，阴阳极有效面积均为0.7cm²(长1cm宽0.7cm)。罗丹明b浓度为10mg/l，处理体积为50ml，反应时间60min，电流密度为20ma/cm²，电解质(naso4)浓度为0.05mol/l，电极间距1cm，初始ph＝3.0，全程曝气。对上述制得的气体扩散电极降解效率进行测定。结果显示：自制fe骨架-石墨烯气体扩散电极做阴极，降解效率最高。

以下通过镍网石墨烯气体扩散电极、气体扩散电极、碳板和实施例一制得的产品进行降解实验，比较四者的降解效率：如图3所示，降解罗丹明b过程中，负载石墨烯的阴极材料降解罗丹明b的降解效率高于未负载石墨烯的阴极材料和碳板，从而体现石墨烯气体扩散电极的优越性；同时负载了石墨烯的铁网电极和镍网电极中，铁网的最终降解效果更好。

如图4所示，实施例一制得的产品作为阴极材料降解罗丹明b，在ph＝7时，降解率仍有89.53％，说明fe骨架-石墨烯气体扩散电极应用于电-芬顿体系中降解有机污染物不仅在ph＝3时降解效果好，在中性条件下仍有较高的降解率。

本实验中，由于fe骨架-石墨烯气体扩散电极以铁网为基底，在降解实验中不必再外加铁离子，同时在电-芬顿体系阴极上，fe³⁺可得电子转化为fe²⁺，继续参与电-芬顿的后续反应，因此相比镍网石墨烯气体扩散电极，fe骨架-石墨烯气体扩散电极作为阴极在电-芬顿体系中可有效避免铁泥的产生。