一种多孔钛基Mxenes复合电催化膜及其制备方法和应用与流程

本发明属于电催化，具体涉及一种多孔钛基mxenes复合电催化膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、社会生产和人类活动中会产生大量的污染物进入生态环境中，这些污染物具有生物累积性、难生物分解性和致癌性，还会破坏生物体内循环系统，对环境和人体都有严重的危害，最终威胁人类的生存安全。电化学高级氧化技术因其高效、多功能、操作简单和易扩大化等优点具有广阔的应用前景；其中，阳极材料能够通过直接氧化和间接氧化的作用对污染物进行有效降解。因此，阳极材料的性能和稳定性很大程度上决定了电化学高级氧化技术的效率、适用场景和使用寿命。

2、近来，研究显示将膜技术和阳极材料进行结合，形成的电催化膜技术将电化学高级氧化技术和膜分离技术进行有机耦合：膜分离技术通过对流强化传质削弱扩散边界层，改善电化学的降解效率；电化学技术在降解污染物的同时可有效缓解膜污染的发生，提高污染物的去除和降解效率。该技术可有效去除水体中的有机污染物、无机污染物以及重金属，是理想的深度处理手段。但目前的电催化膜技术还不够完善，不能有效去除水体中的污染物，因此，有必要对电催化膜技术进行深入研究。

技术实现思路

1、本发明是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识做出的：

2、电催化膜的性能主要基于其电化学功能，主要包括两方面：离子的传输和电子的传导。mxenes材料具有较快的离子输运能力和电子传导能力，有很好的催化活性，被广泛应用于电催化应用领域。

3、文献(acs applied materials&interfaces，2022，14(1)：1838-1849)中，使用mxenes与聚酰胺基膜进行界面聚合，制得了高性能反渗透复合膜，该方法可改善mxenes纳米片与聚酰胺基体间的化学相容性，有助于形成紧密的网络结构，借助电场排斥作用有效缓解了荷负电海藻酸钠和牛血清白蛋白等模型化合物在膜表面的沉积速率，且有效提高了盐的截留率(>96％)和抗污性能。虽然该电催化膜有良好的电化学稳定性和污染物去除性能，但是该电催化膜耐水压能力较差，水压较高时电催化膜易出现破损，导致污染物去除效果降低。

4、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的实施例提出一种多孔钛基mxenes复合电催化膜，该多孔钛基mxenes复合电催化膜以具有高催化活性的mxenes为功能层，明显提高了电催化膜对水体中有机污染物的矿化和降解效果，且有效降低了催化膜污染，提高了复合电催化膜的稳定性和适用性，增加了电催化膜的使用寿命和使用场景。

5、本发明实施例的多孔钛基mxenes复合电催化膜，包括支撑膜和设置在所述支撑膜至少一个表面上的催化膜，所述支撑膜包括多孔钛金属，所述催化膜包括mxenes。

6、本发明实施例的多孔钛基mxenes复合电催化膜带来的优点和技术效果，1、本发明实施例中，多孔钛金属具有丰富的孔道结构，可以使mxenes在其表面形成良好的负载，形成的复合电催化膜具有更好的稳定性和支撑性；2、本发明实施例中，多孔钛作为电极材料拥有良好的电化学特性，性质稳定、耐高温且耐腐蚀性能优异，制得的复合电催化膜适用于污染物复杂、处理条件苛刻的深度处理领域；3、本发明实施例中，以具有高催化活性的mxenes为主要功能层，增大了电催化膜的表面活性层的比表面积，提高了电催化膜活性位点的数量，保证该复合催化膜有良好的催化和截留性能，明显提高了对水体中有机污染物的矿化和降解效果；4、本发明实施例中，通过mxenes的掺杂改性，能够明显提升复合电催化膜的稳定性和适用性，有效降低催化膜污染，增加了电催化膜的使用寿命和使用场景。

7、在一些实施例中，所述支撑膜厚度为10-15mm；和/或，所述催化膜厚度为1-3mm。

8、本发明实施例还提供了一种多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，包括以下步骤：

9、(1)将尿素和钛粉混合后进行压制，将压制成型的膜片进行煅烧，得到多孔钛基；

10、(2)将mxenes、聚偏二氟乙烯和二甲基甲酰胺混合，形成浆液；

11、(3)将所述步骤(2)得到的浆液涂覆于所述步骤(1)得到的多孔钛基的至少一个表面上，然后进行煅烧，得到多孔钛基mxenes复合电催化膜。

12、本发明实施例的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法带来的优点和技术效果，1、本发明实施例的方法，先制备多孔钛基作为支撑膜，可以使催化材料更好地负载在其表面，形成更具稳定性和支撑性的复合电催化膜；2、本发明实施例的方法，将具有良好催化活性的mxenes材料负载在多孔钛基的表面，增大了电催化膜表面活性层的比表面积，提高了电催化膜活性位点的数量，有效提升了电极的电催化氧化性能，强化电极的催化性能；3、本发明实施例的方法，在制备mxenes浆料中，加入聚偏二氟乙烯，能够使其与mxenes进行均匀混合形成催化层基础料，二甲基甲酰胺的加入能使催化层基础料更好的相溶形成浆料；4、本发明实施例的方法，简单易操作，生产效率高，且制得的复合电催化膜具有更好的电催化性能，便于在工业生产中的推广应用。

13、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述尿素的平均粒度为100～400μm；所述钛粉的平均粒度为20～45μm；和/或，所述尿素与钛粉的质量比为1：50-1：100。

14、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述压制采用热压机进行，压制的压力为2～4mpa。

15、在一些实施例中，所述步骤(1)中，所述煅烧包括：将膜片放置于真空炉中，在5-20pa真空度下以2～8℃/min的速率将真空炉内的温度升高至400～600℃，然后膜片随真空炉冷却至室温，再将膜片转移至卧式碳管烧结炉中进行烧结，所述卧式碳管烧结炉的真空度为10-4-10-5pa，烧结的温度为1000～1400℃，烧结的时间为8～12小时。

16、在一些实施例中，所述步骤(2)中，所述mxenes、聚偏二氟乙烯和二甲基甲酰胺的质量比为(6～8)：(1～3)：(1～3)。

17、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述煅烧在惰性气氛下进行，煅烧的温度为100～140℃，煅烧的时间为20～26小时。

18、在一些实施例中，所述步骤(3)中，所述涂覆采用涂膜机进行，所述涂膜机的速度为10～30mm/s。

19、本发明实施例还提供了一种上述的多孔钛基mxenes复合电催化膜或上述的制备方法制得的多孔钛基mxenes复合电催化膜在污水处理中的应用。

技术特征：

1.一种多孔钛基mxenes复合电催化膜，其特征在于，包括支撑膜和设置在所述支撑膜至少一个表面上的催化膜，所述支撑膜包括多孔钛金属，所述催化膜包括mxenes。

2.根据权利要求1所述的复合电催化膜，其特征在于，所述支撑膜厚度为10-15mm；和/或，所述催化膜厚度为1-3mm。

3.一种多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述尿素的平均粒度为100～400μm，所述钛粉的平均粒度为20～45μm；和/或，所述尿素与钛粉的质量比为1：50-1：100。

5.根据权利要求3所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述压制采用热压机进行，压制的压力为2～4mpa。

6.根据权利要求3所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述煅烧包括：将膜片放置于真空炉中，在5-20pa真空度下以2～8℃/min的速率将真空炉内的温度升高至400～600℃，然后膜片随真空炉冷却至室温，再将膜片转移至卧式碳管烧结炉中进行烧结，所述卧式碳管烧结炉的真空度为10-4-10-5pa，烧结的温度为1000～1400℃，烧结的时间为8～12小时。

7.根据权利要求2所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述mxenes、聚偏二氟乙烯和二甲基甲酰胺的质量比为(6～8)：(1～3)：(1～3)。

8.根据权利要求2所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述煅烧在惰性气氛下进行，煅烧的温度为100～140℃，煅烧的时间为20～26小时。

9.根据权利要求2或8所述的多孔钛基复合电催化膜的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述涂覆采用涂膜机进行，所述涂膜机的速度为10～30mm/s。

10.一种权利要求1或2所述的多孔钛基mxenes复合电催化膜或权利要求3～9任一项所述的制备方法制得的多孔钛基mxenes复合电催化膜在污水处理中的应用。

技术总结
本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种多孔钛基Mxenes复合电催化膜及其制备方法和应用。本发明公开了一种多孔钛基Mxenes复合电催化膜，包括支撑膜和设置在所述支撑膜至少一个表面上的催化膜，所述支撑膜包括多孔钛金属，所述催化膜包括Mxenes。该多孔钛基Mxenes复合电催化膜以具有高催化活性的Mxenes为功能层，明显提高了电催化膜对水体中有机污染物的矿化和降解效果，且有效降低了催化膜污染，提高了复合电催化膜的稳定性和适用性，增加了电催化膜的使用寿命和使用场景。

技术研发人员：宫晨皓,任晓晶,韩军兴,何灿,张忠国,张健
受保护的技术使用者：北京市科学技术研究院资源环境研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1