一种石墨毡基双金属电极及其制备方法和应用

本发明属于电化学水处理技术领域，尤其涉及一种石墨毡基双金属电极及其制备方法和应用。

背景技术：

针对于不同特征废水中的污染物，电化学水处理技术被认为是高效、无二次污染并广泛适用的一类方法。根据污染物降解转化的不同物化过程，可分为电吸附、电还原、电氧化、电芬顿等，并可以通过多种电化学反应共同作用，与其他工艺耦合，实现污水净化和处理的目的。而在这些电化学处理过程中，传质是直接影响处理效率的核心。

电还原过程中，间接还原产生的中间物质原子氢具有很强的催化还原活性，通常吸附在贵金属催化剂表面，已被证实可以高效去除消毒副产物和很多难以仅仅靠吸附去除的环境污染物。然而，原子氢极易转化为氢气析出，离开催化剂表面，从而极大的降低了电还原效率。因此提高原子氢的存活时间和利用效率是提升电还原效率的关键。

研究表明，钯基(pd)材料可有效促进原子氢的产生与存储，有助金属的加入使得pd处于更富电子的状态，有利于中间体原子氢的表面吸附，提高反应活性和选择性。目前，已经有一些利用钯基材料作为电极材料，但通过提高自由基的利用效率展开的研究非常有限。

技术实现要素：

本发明提出一种石墨毡基双金属电极及其制备方法和应用，采用电沉积法，通过调节电流密度、沉积时间、前驱物比例、电解质溶液等条件，得到石墨毡基双金属电极(pdin)，并将其用于制备固定化的三维双金属电极，及废水中污染物的去除，具有较优的催化性能。

本发明提出一种石墨毡基双金属电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将石墨毡剪成块，加入硝酸溶液，水热反应后，冷却至室温后，洗涤石墨毡至表面呈中性，烘干；

2)向nh4cl溶液中添加氯化钯和三氯化铟，得混合溶液；

3)以步骤2)所得混合溶液为电解质溶液，氯化银作为参比电极，铂作为对电极，步骤1)所得石墨毡作为工作电极，连接电化学工作站，在恒电流模式下电沉积；

4)将步骤3)电沉积后的石墨毡取出，清洗，烘干，得石墨毡基双金属电极材料。

进一步地，步骤1)中，水热反应的时间为1～3h；水热反应的温度为110～130℃。

进一步地，步骤2)中，nh4cl溶液的浓度为10mm；nh4cl溶液中pdcl2的浓度为3mm；incl3的浓度为3mm。

进一步地，步骤3)中，恒电流模式下，电流密度为5ma/cm²；电沉积的时间为30min。

本发明还提出上述任一制备方法制备得到的石墨毡基双金属电极材料。

本发明还提出上述石墨毡基双金属电极材料在去除废水中污染物中的应用。

进一步地，所述污染物包括三氯乙酸、溴酸盐中至少一种。

进一步地，待处理废水的ph为2-7。

进一步地，将石墨毡基双金属电极材料填充在穿透式电极反应器的石墨极板的蛇形廊道中，将待处理废水连续泵入石墨极板中，进行污染物降解。

本发明具有以下优势：

本发明以原子氢的有效形成和稳定为目的，提出了一种石墨毡基双金属电极(pdin)的制备方法，所得pdin双金属电极材料可以催化原子氢的产生，使用pdin制备得到固定化的三维双金属电极，利用穿透式电极反应器，借助微流场辅助强化产生和利用自由基，提高了污染物-电极的反应界面，在原子氢湮灭之前，可以更多的被利用，从而实现了水中污染物的高效还原去除。

本发明提出的电极材料的制备方法及应用方法简单合理，效果稳定，固定化的电极可以重复使用，在污染物三氯乙酸、溴酸盐等的电催化还原过程中，效果显著，在水处理领域应用前景较好。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例1制备的石墨毡基双金属电极材料的扫描电镜图；

图2为本发明穿透式电极反应器的结构图；

图3为本发明实施例2废水中污染物三氯乙酸降解效果图；

图4为本发明实施例2中去除污染物三氯乙酸过程中产生的自由基图谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明一实施例提出一种石墨毡基双金属电极材料的制备方法，包括如下步骤：

1)将石墨毡剪成块，加入硝酸溶液，水热反应后，冷却至室温后，洗涤石墨毡至表面呈中性，烘干；

2)向nh4cl溶液中添加氯化钯(pdcl2)和三氯化铟(incl3)，得混合溶液；

3)以步骤2)所得混合溶液为电解质溶液，氯化银(ag/agcl)作为参比电极，铂(pt)作为对电极，步骤1)所得石墨毡作为工作电极，连接电化学工作站，在恒电流模式下电沉积；

4)将步骤3)电沉积后的石墨毡取出，清洗，烘干，得石墨毡基双金属电极材料pdin。

本发明一实施例中，步骤1)中，水热反应的时间为1～3h；水热反应的温度为110～130℃。优选的，水热反应的时间为2h；水热反应的温度为120℃。

具体而言，步骤1)中，水热反应在高压反应釜中进行。所述洗涤用去离子水洗涤。烘干的温度为40℃。

本发明一实施例中，步骤2)中，nh4cl溶液的浓度为10mm；nh4cl溶液中pdcl2的浓度为3mm；incl3的浓度为3mm。本发明实施例中，因pdcl2、incl3按照1:1添加，故最终所得到的石墨毡基双金属电极材料为pdin。

本发明一实施例中，步骤3)中，恒电流模式下，电流密度为5ma/cm²；电沉积的时间为30min；

具体而言，步骤4)中，清洗具体为用去离子水清洗去除表面的多余离子。

本发明实施例提出的石墨毡基双金属电极材料的制备方法，采用电沉积法，通过调节电流密度、沉积时间、前驱物比例、电解质溶液等条件，使得最终得到的石墨毡基双金属电极材料pd1in1具有较优的催化性能。

本发明一实施例还提出上述任一制备方法制备得到的石墨毡基双金属电极材料。

本发明一实施例还提出上述任一石墨毡基双金属电极材料在去除废水中污染物中的应用。

具体而言，所述污染物包括三氯乙酸、溴酸盐中至少一种。

具体而言，待处理废水的ph为2-7。可见，该双金属电极材料适用的ph范围较广。

本发明一实施例中，将石墨毡基双金属电极材料填充在穿透式电极反应器的石墨极板的蛇形廊道中，将待处理废水连续泵入石墨极板中，进行污染物降解。

下面将结合实施例详细阐述本发明。

实施例1一种石墨毡基双金属电极材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将石墨毡(gf)裁剪成1.5cm*4cm小块，加入20ml的硝酸后放入高压反应釜中，120℃下水热2h；

(2)将冷却至室温后的石墨毡取出，用去离子水多次洗涤使表面ph洗涤到中性，随后，放入烘箱40℃下烘干；

(3)配置50mlnh4cl溶液(10mm)，里面含3mmpdcl2和3mmincl3,将上述石墨毡作为工作电极浸没在溶液中；

(4)用ag/agcl作为参比电极，pt丝作为对电极，石墨毡作为工作电极，连接电化学工作站，在恒电流模式下电沉积30min；

(5)将电沉积后的石墨毡取出，用去离子水清洗去除表面的多余离子，在真空干燥箱内烘干，得石墨毡基双金属电极材料(pdin)。

采用扫描电镜表征实施例1所得石墨毡基双金属电极材料的结构，结果如图1所示。

实施例2利用石墨毡基双金属电极材料去除水中污染物并产能的实验

将实施例1所得双金属电极材料裁剪成细长条，填充进穿透式电极反应器的石墨极板廊道中，如图2所示，主要由两个蛇形廊道的石墨极板和中间的nafion117隔膜组成，在搭载过程中，保证蛇形廊道的方向互相垂直。实验过程中，水流从极板的一侧孔泵入，从廊道末端孔流出，回到烧杯中，如此实现污染物的去除。下面以污染物三氯乙酸、溴酸盐为例进行具体试验。

(1)配置50ml500μg/l的含污染物三氯乙酸(tcaa)的水溶液，将溶液ph调至5.0±0.1。还原过程中，向烧杯中持续鼓入氩气，开启蠕动泵后，烧杯中的溶液持续的泵入穿透式电极反应器的阴极室，溶液进入阴极室后循环回到烧杯中，在返回烧杯的蠕动管内流出第一滴液体时开始计时，隔一段时间进行取样检测溴酸盐的浓度，结果如图3所示。

由图3可得，与未负载任何催化剂的石墨毡(gf)以及负载单金属催化剂pd或者in的石墨毡(gf)相比，该双金属催化剂对三氯乙酸的还原率可以达到90％以上。

实验过程中，通过自由基的检测，发现产生了原子氢自由基，如附图4所示。由图4可得，图中的九重峰为原子氢的特征峰，原子氢自由基的存在和吸持是促进电还原效率提高的关键因素。

另外，实验过程中，对ph进行调整，发现在ph在2-7的范围均对三氯乙酸有很好的还原效果，说明其在水处理过程实际应用中，有较为广谱的适用范围。

(2)配置50ml500μg/l的含污染物溴酸盐的水溶液，实验方法同上，发现其对溴酸盐也有95％以上的还原效率，说明其在水处理过程实际应用中较广。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。