本发明属于纳米催化技术和抗生素废水处理领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法。
背景技术
抗生素污染是环境保护领域研究的热点问题。大量的抗生素在生活污水和环境水体中被频繁检出，尽管目前在水环境中检出的抗生素浓度较低，但水体中的抗生素残留会对细菌产生选择性的压力，驱使细菌变异和基因转移，从而导致耐药菌和耐药基因问题。世界卫生组织(who)已经把细菌的耐药性定性为对人类生存和健康最具威胁的污染之一。此外，水体的抗生素残留会影响环境中的微生物、破坏生态平衡、威胁人类健康。头孢菌素是目前临床使用最广泛的一类抗生素，在污水和天然水中被频繁检出，发明能安全高效降解含头孢菌素污水的方法具有良好的经济效益和深远的社会意义。
电化学氧化技术用于有机物分解，具有装置简单、易操作、安全性高等优点。有机物的电化学氧化反应是在电极/溶液的界面上进行的，阳极材料作为电化学氧化技术中重要的基础组成部分，直接影响有机物降解的效率和选择性，在电化学中具有十分重要的作用。良好的阳极材料需要有足够的机械强度、具有化学稳定性、高催化活性和较高的电流效率。
三维石墨烯气凝胶是石墨烯在三维宏观尺度构筑的主要结构形式之一，其丰富的孔隙结构、大的比表面积、优异的导电特性，使三维石墨烯气凝胶在电极材料、催化剂载体、传感器以及污染物吸附等领域具有广阔的应用前景。三维石墨烯气凝胶的结构中，孔隙的形成是由构筑单元-石墨烯纳米片的卷曲堆叠而成，相比传统的炭凝胶，石墨烯气凝胶具有丰富的纳米孔道结构，且石墨烯片层的柔性使其具有较好的机械特性。为了拓宽石墨烯气凝胶的氧化还原活性，氮掺杂是一个很好的选择。
技术实现要素：
本发明针对水体中抗生素的污染问题，制备具有高导电率，高催化活性的氮掺杂的石墨烯气凝胶材料，作为电化学反应体系的阳极。
采用氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，该方法包括以下步骤：
(1)、制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；
(2)、将制备好的氮掺杂石墨烯气凝胶材料磨成粒径范围在100-200目之间的粉末，用聚四氟乙烯(pvdf)为粘结剂，按质量比，氮掺杂石墨烯凝胶：乙炔黑：pvdf＝8:1:1，用dmac为溶剂，搅拌均匀后，涂抹在炭纸上，涂抹后的炭纸放置在80℃的烘箱内10h以上，干燥后作为阳极，采用未涂抹材料的空白炭纸为阴极，银/氯化银电极为参比电极；
(3)、将头孢曲松钠溶液配制好装在电化学反应器中，头孢曲松钠的浓度为1mg/l-20mg/l；
(4)、在头孢曲松钠溶液中加入5mm的kcl作为电解质；
(5)、将氮掺杂石墨烯气凝胶阳极、炭纸阴极和银/氯化银参比电极，通过电化学反应器瓶盖的小孔固定在电化学反应器中，3个电极分别与电化学工作站相连。打开电化学工作站，输入电流密度为2-5ma/cm2，达到处理时间后，取样检测，测定对头孢曲松钠的去除率。
所述的氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，所述的石墨烯气凝胶电极材料，其制备时，以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为1-3wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为200:1-500:1，氮含量为1-3wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料。
所述的氮掺杂石墨烯气凝胶电极，涂抹在炭纸上的实际重量和炭纸的面积比为2-4mg/cm2。
所述的制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极的氧化石墨烯，其厚度小于3nm，片层数1-4层，比表面积400-600m2/g。
本发明的有益效果在于：新型的电化学阳极，采用石墨烯的三维宏观体气凝胶作为电极材料，并通过氮元素掺杂，提高了材料的活性位点和催化效率，从而提高了头孢菌素的去除效果，降低了运行成本。可用于水体中头孢类抗生素的去除。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为3wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为200:1，氮含量为3wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用pvdf粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为4mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，其浓度为1mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器中，加入5mmkcl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为5ma/cm2，经20min处理后取样检测，降解效率为99.5％。
实施例2
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为2wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为300:1，氮含量为2wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用pvdf粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为3mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，头孢曲松钠的浓度为10mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，加入5mmkcl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为3ma/cm2，经30min处理后取样检测，降解效率为92.4％。
实施例3
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为1wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为500:1，氮含量为1wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用pvdf粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为2mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，其浓度为浓度为20mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，加入5mmkcl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为2ma/cm2，经30min处理后取样检测，降解效率为86.8％。