铁钴双金属锚定多孔碳电极及其制备方法

本发明涉及水和废水处理，具体涉及一种铁钴双金属锚定多孔碳电极及其制备方法。

背景技术：

1、目前，新污染物在水环境中被频繁检出。电芬顿技术作为一种电化学高级氧化技术，通过电化学驱动过氧化氢(h2o2)与二价铁(fe(ii))间的芬顿反应产生强氧化性的羟基自由基(·oh)，被越来越多地研究和用于水和废水处理领域中新污染物的氧化去除。然而，该技术的反应速率受限于fe(ii)/fe(iii)的价态循环，同时，溶出的金属离子容易产生含铁污泥，造成二次污染。

2、为改善电芬顿技术中的问题，提高污染物的降解速率，提出了基于3电子电催化氧还原的水和废水处理方法。该方法中，氧气首先在电催化材料上发生2电子反应原位生成h2o2，并进一步在催化剂表面发生1电子还原生成·oh。该过程不依赖于芬顿反应即可产生·oh，可有效克服fe(ii)/fe(iii)之间价态循环速率慢的限制，有效提升·oh的产生速率和污染物的去除效率。

3、然而，目前报道的3电子氧还原电催化材料，存在催化剂活性较低、回收困难等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在提供催化剂活性高的3电子氧还原反应用铁钴双金属锚定多孔碳电极。

2、本发明的目的还在于提供铁钴双金属锚定多孔碳电极的制备方法。

3、为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

4、根据本发明的第一方面实施例的铁钴双金属锚定多孔碳电极，钴的负载量为0.5-2.5wt％，且铁的负载量为0.1-2.5wt％。

5、根据本发明第二方面实施例的铁钴双金属锚定多孔碳电极的制备方法，包括以下步骤：

6、步骤s1，提供钴原子锚定碳电极；

7、步骤s2，将所述钴原子锚定碳电极在酸蚀刻后进行热处理，得到钴原子锚定多孔碳电极；

8、步骤s3，将所述钴原子锚定多孔碳电极浸渍在铁前驱体溶液中，此后取出进行热处理，得到铁钴双金属锚定多孔碳电极。

9、进一步地，所述步骤s1包括：

10、步骤s11，提供前驱体分散液，所述前驱体溶液中分散有钴前驱体和碳颗粒；

11、步骤s12，将碳基体浸渍在所述前驱体分散液中，以在所述碳基体表面吸附所述钴前驱体和碳颗粒；

12、步骤s13，将吸附有所述碳颗粒和钴前驱体的碳基体在惰性气体气氛下进行煅烧，得到所述钴原子锚定碳电极。

13、进一步地，所述步骤s11包括：

14、将锌前驱体、二甲基咪唑、钴前驱体分散于有机溶剂中，并在其中加入碳颗粒进行混合，得到所述前驱体分散液。

15、进一步地，所述步骤s11包括：

16、s111，将锌前驱体和二甲基咪唑分散于有机溶剂中，得到所述沸石咪唑骨架-8前驱体溶液；

17、s112，将锌前驱体和钴前驱体分散于所述有机溶剂中，得到钴前驱体溶液；

18、s113，将所述沸石咪唑骨架-8前驱体溶液、所述钴前驱体溶液、以及所述碳颗粒进行混合，得到所述前驱体分散液。

19、进一步地，步骤s113包括：

20、将所述沸石咪唑骨架-8前驱体溶液与所述钴前驱体溶液混合；

21、此后，在其中加入所述碳颗粒，并在100-150℃下搅拌12-36小时混合均匀，得到所述前驱体分散液，其中，所述钴前驱体溶液中的钴原子与锌原子的摩尔比为(1-1.5)：(7-10)，所述沸石咪唑骨架-8前驱体溶液中氮原子与锌原子的摩尔比为1:(4-6)，所述前驱体分散液中所述碳颗粒的质量百分比为0.6-1％，所述碳颗粒与所述二甲基咪唑质量比为(0.08-0.1):1。

22、进一步地，所述锌前驱体包括醋酸锌、硝酸锌、及其水合物中的一种或多种，

23、所述钴前驱体包括硝酸钴、硫酸钴、醋酸钴、氯化钴、乙酰丙酮钴中的一种或多种，

24、所述碳颗粒包括炭黑、碳纳米管、石墨烯中的一种或多种，

25、所述碳基体包括碳毡、碳布、碳纤维中的任一种。

26、进一步地，所述步骤s2中，将所述钴原子锚定碳电极在酸溶液中酸蚀刻2-6小时，并将酸蚀刻处理后的钴原子锚定碳电极放置于管式炉中，在氩气的保护下在800-1000℃下加热2-4小时，得到所述钴原子锚定多孔碳电极。

27、进一步地，所述步骤s3包括：

28、步骤s31，提供铁前驱体溶液；

29、步骤s32，将所述钴原子锚定多孔碳电极浸渍在所述铁前驱体溶液中，以在所述钴原子锚定多孔碳电极的微孔中含浸铁前驱体；

30、步骤s33，将含浸有所述铁前驱体的所述钴原子锚定多孔碳电极在200-300℃下在空气中煅烧1-3小时，得到所述铁钴双金属锚定多孔碳电极，

31、其中，所述铁前驱体溶液中含有所述铁前驱体，所述铁前驱体选自酞菁铁、硝酸铁、硫酸铁、氯化铁和乙酰丙酮铁中的至少一种。

32、进一步地，所述铁前驱体溶液中还含有含氮有机物，所述含氮有机物为双氰胺，所述步骤s31包括：

33、将所述铁前驱体和双氰胺加入到乙醇和去离子水的混合溶液，搅拌均匀，得到所述铁前驱体溶液，其中，所述铁前驱体溶液中所述铁前驱体与所述双氰胺的摩尔比为1:(10–20)。

34、本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

35、根据本发明实施例的铁钴双金属锚定多孔碳电极，一方面通过铁钴双金属的协同作用提高电极3电子氧还原的电催化活性，在无需芬顿反应的情况下同时触发o2和h2o2的选择性电催化还原产·oh；另一方面直接在多孔碳电极上形成活性点位，电极可直接用于水处理，解决了电催化剂不易回收的难题。此外，铁钴双金属被锚定在催化剂内部，可有效避免与外界溶液的接触反应，减少金属离子溶出，从而为水和废水中新污染物的去除提供了一种更为高效、绿色的技术选择。

技术特征：

1.一种铁钴双金属锚定多孔碳电极，其特征在于，钴的负载量为0.5-2.5wt％，且铁的负载量为0.1-2.5wt％。

2.一种铁钴双金属锚定多孔碳电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s11包括：

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s11包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤s113包括：

7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，将所述钴原子锚定碳电极在酸溶液中酸蚀刻2-6小时，并将酸蚀刻处理后的钴原子锚定碳电极放置于管式炉中，在氩气的保护下在800-1000℃下加热2-4小时，得到所述钴原子锚定多孔碳电极。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述铁前驱体溶液中还含有含氮有机物，所述含氮有机物为双氰胺，所述步骤s31包括：

技术总结
本发明提供一种铁钴双金属锚定多孔碳电极及其制备方法，铁钴双金属锚定多孔碳电极中钴的负载量为0.5‑2.5wt％，且铁的负载量为0.1‑2.5wt％。其中，制备方法包括以下步骤：步骤S1，提供钴原子锚定碳电极；步骤S2，将所述钴原子锚定碳电极在酸蚀刻后进行热处理，得到钴原子锚定多孔碳电极；步骤S3，将所述钴原子锚定多孔碳电极浸渍在铁前驱体溶液中，并进行热处理，得到铁钴双金属锚定多孔碳电极。根据本发明实施例的铁钴双金属锚定多孔碳电极，可明显提高3电子氧还原产·OH的电催化活性，有效减少金属离子溶出，避免电催化剂的回收问题，从而更加高效绿色地氧化降解新污染物。

技术研发人员：王会姣,陈安妮,王建兵,王春荣,王建超,薛思源,殷炎颖
受保护的技术使用者：中国矿业大学（北京）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15