CN102464382B

CN102464382B - 一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法

Info

Publication number: CN102464382B
Application number: CN 201010533729
Authority: CN
Inventors: 赵国华; 吴涛; 李培强; 余志敏
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: CN102464382A

Abstract

本发明涉及一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，该方法在经阳极化处理制备得到的钛基体二氧化钛纳米管阵列上，采用脉冲电沉积方法制备得到掺杂型SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极。与传统的溶胶凝胶法制备得到的Sb掺杂SnO₂电极相比，本发明制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极不仅析氧电位超高，达2.4V以上，而且电催化活性高，电化学氧化能力强、效率高。采用该电极通过电化学氧化方法能够将难生化、难氧化的含氟芳香烃类有机污染物高效地降解处理，具有广泛的经济和社会效益。

Description

一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法

技术领域

本发明涉及材料化学领域，尤其是涉及一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法。

背景技术

电化学氧化方法的原理是通过阳极产生的羟基自由基(·OH)作为主要氧化剂，利用羟基自由基的强氧化性将有机污染物氧化降解为有机小分子中间体或CO₂。电化学氧化过程几乎不消耗化学试剂，产生的二次污染少，被称为环境友好技术。此外，电化学氧化方法还具有氧化能力强、可控性高、反应条件温和、占地面积小等优点，是高效的环境污染物降解技术，受到越来越多的重视，应用前景十分广泛。而限制该技术发展的最大影响因素是阳极材料。阳极材料除了制备成本应尽可能的低廉外，还必须具备良好的导电性、高的析氧电位及良好的催化降解活性等特点，以应用于废水中有机污染物的电化学氧化处理。

钛基金属氧化物涂层电极是一类适用于废水中有机污染物电化学氧化处理的阳极材料，引起了广泛的关注。其中掺锑的SnO₂是一种优良的电催化剂，具有较高的析氧电位和较好的电催化活性，适用于有机污染物的电催化氧化降解，已成为研究的热点。Stucki等人利用涂覆法制备了掺杂锑的二氧化锡的钛基电极，其析氧电位达到1.8V vs SCE以上。与PbO₂，Pt电极相比，SnO₂电极对苯酚，苯甲酸的氧化效率更高，是一类更好的电极。Comninellis等人考察了掺杂锑的SnO₂的钛基电极的电化学性能，研究发现，与一些传统的Pt电极和RuO₂、IrO₂钛基电极相比，掺杂Sb的SnO₂电极不仅制备成本相对便宜，而且对像苯酚、苯醌、以及芳香胺、氨氮等污染物的降解效率要高于上述电极。该电极对反应物和反应过程产生的毒性中间产物具有很好的催化性能，因而能得到更快、更彻底的氧化，中间产物少，是一类更为高效的阳极材料。Grmim等人采用溶胶凝胶法制备了SnO2/Ti电极，并研究了苯酚在该电极上的电催化氧化行为。结果表明，SnO2/Ti电极由于析氧电位较高，可有效地抑制析氧反应，使苯酚的降解效率提高。此外，掺锑的SnO₂电催化剂易于制备，成本低廉。正是掺锑的SnO₂电极具备上述众多优点，因此被认为是能够应用于有机污染物废水的电化学氧化处理技术中、具有发展潜力的电极之一。

但是，尽管传统方法，如溶胶凝胶法、电沉积法等，制备的掺锑的SnO₂电极具有较高的析氧电位和较强的电催化氧化能力，但与近几年来研制开发的另一种高效的阳极材料掺硼金刚石膜（BDD）电极相比，后者表现出更优的电化学降解能力和更快的降解速率。这主要是因为BDD电极具有更高的析氧电位，达到2.4V以上。因此，利用简单的电沉积方法，通过对SnO₂电极进行结构设计和表面掺杂改性，在改善其优良电催化性能的同时，进一步提高其析氧电位，势必会得到一种具有优异电化学催化氧化性能的新颖电极，对于有机污染物的电催化氧化方法的研究和应用有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼具超高析氧电位和高催化活性的处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，其特征在于，该方法在经阳极化处理制备得到的二氧化钛纳米管阵列基体上，采用脉冲电沉积方法制备得到掺杂型SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，即为产品。

该方法具体包括以下步骤：

（1）将纯金属钛片表面用金相砂纸进行打磨抛光，在含有0.05～1.0wt%的NH₄F，1.6～2.0wt%的Na₂SO₄以及10～50wt%分子量为400的聚乙二醇的溶液中以该钛片为工作电极，铂片为对电极，进行电化学阳极氧化处理，在钛基表面获得有序的TiO₂纳米管阵列电极TiO₂-NTs，将制备得到的电极在管式炉中采用程序升温进行热处理；

（2）将SnCl₂·2H₂O、SbCl₃、乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂及盐酸配制成电镀液，该电镀液中SnCl₂的浓度为0.2～0.5mol/L，SbCl₃的浓度为0.2～0.4mol/L，盐酸的浓度为2～3mol/L，乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂的浓度为0.2～0.3g/L；

（3）以步骤（1）制备的TiO₂-NTs为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1～2mol L^-1的氯化铵溶液中，于温度40℃条件下，在-1.5V的电位下还原3s，然后采用1.5mol L^-1的CuSO₄作为电解液通过脉冲电沉积法，控制温度为40℃将Cu沉积到TiO₂-NTs的底部，沉积时间为5～10min，再将沉积有Cu的TiO₂-NTs置于步骤（2）所配置的电镀液中，采用脉冲电沉积法，控制沉积温度为40℃，沉积时间为2～4h，将掺杂Sb的SnO₂沉积到TiO₂-NTs中，制备得到高析氧电位高催化活性SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，即为产品。

所述步骤（1）中热处理的程序升温速率为1～5℃/min，热处理温度为450～550℃，热处理时间为3～5h。

所述步骤（3）中以CuSO₄作为电解液时采用的脉冲电沉积法的沉积循环参数为-70mA、10ms，70mA、1ms，0mA、1s。

所述步骤（3）中将掺杂Sb的SnO₂沉积到纳米管中的脉冲电沉积法的沉积循环参数为45mA、10m_s，-45mA、1ms，0mA、1s。

与现有技术相比，本发明利用脉冲电沉积的方法对SnO₂镀层表面结构进行改造，获得具有三维结构的Sb掺杂SnO₂修饰层，获得的电极表现出很高的析氧电位和电催化活性利用该电极高效的电化学氧化降解难氧化的含氟芳香烃类污染物，如氟苯、二氟苯等，具体包括以下优点：

（1）与传统Ti基SnO₂阳极相比，本发明采用了直立于金属Ti基上的有序TiO₂纳米管阵列为基体电极材料，这种纳米管阵列高度有序，物理化学性能稳定，能够提供很大的比表面积和自由空间。其多孔管式结构更有利于SnO₂催化剂的负载。同时，原位生长的直立TiO₂纳米管阵列制备工艺更加简便、经济，而且其板式结构能够直接作为为催化电极载体材料，无需涂敷于其他载体上。

（2）本发明利用较简单的脉冲电沉积，通过控制工艺、电镀液等条件，能有效提高电极的析氧电位，同时乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂的加入使电极表面SnO₂微粒呈现微球状，分散更为均匀紧密，改善了电极表面的结构和性质，提高了电极的电催化活性。

（3）本发明采用对基体预还原并通过少量金属Cu的沉积改善基体导电性的方法，有利于SnO₂与基体的结合。采用脉冲电流沉积，制备工艺简单，电极成本低廉。

附图说明

图1为实施例1制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极的扫描电镜照片；

图2实施例1制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极在酸性介质中的极化曲线；

图3为实施例1制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极在铁***溶液中的交流阻抗图；

图4实施例1制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极在硫酸钠溶液中的i-t曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，具体包括以下步骤：

将0.80mm的纯钛片(99%)依次用100^＃，300^＃和500^＃砂纸打磨，用金相砂纸进一步抛光，使基体表面平整，然后在蒸馏水和丙酮中各超声清洗20min，用二次蒸馏水清洗干净。阳极化电解液组成为0.8wt%NaF，2%wtNaSO₄，10wt%聚乙二醇（400）。阳极化电压为20V，阳极化时间5h。热处理温度为450℃，升温降温速率均为1℃min^-1。制备得到TiO₂-NTs。将0.2mol L^-1SnCl₂，0.3mol L^-1SbCl₃，2molL^-1HCl和0.3g L^-1乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂配制成电镀液；以TiO₂-NTs为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，在40℃反应温度下，采用脉冲电流方法把掺杂Sb的SnO₂沉积到TiO₂-NTs上，沉积参数为（45mA，10ms；-45mA，1ms；0mA，1s），沉积时间为2h。制备得到高析氧电位高催化活性SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极。

电极表面形貌通过场发射扫描电子显微镜（SEM）进行表征，见图1，从图上可以看出，锡锑氧化物颗粒均匀分散在TiO₂-NTs基底上，大量沉积后形成的锡锑氧化物粒子形成了一定的微球状结构，分散均匀，粒子与粒子相互之间结合紧密，但又不团聚，间隙清晰。电极表面呈现具有层次感的三维结构。

采用三电极电化学测量体系，在CHI660c电化学工作站上，以制备得到的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，在0.1mol L^-1的H₂SO₄溶液中测定电极的阳极极化曲线，见图2，可测得电极的析氧电位约为2.43V。

以制备得到的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，在5mmol/L铁***溶液中用交流阻抗法测定电极的电阻，见图3，可测得电极的交流阻抗约为190Ω。

以制备得到的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极（SCE）为参比电极，在3V的电压条件下，利用i-t法研究了电极在0.1molL^-1Na₂SO₄溶液中的电催化响应，见图4，当在Na₂SO₄溶液中滴入少量FB后，电极的电流密度明显增大，增幅高达54.1%。

实施例2

采用制备得到的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极电催化氧化降解除草剂2,4-二氯苯氧乙酸。

电催化降解在单池圆形电化学反应池中进行，外加带有循环水的套杯，保持反应体系温度为室温。以制备的电极为阳极，Ti板为对电极，电极面积均为4.5cm²，电化学降解采用恒电流电解，恒电流密度20mA cm^-2。以含有0.1mol L^-1Na₂SO₄电解质的100mg L^-1除草剂2,4-二氯苯氧乙酸作为模拟废水，反应体积为100ml，在降解反应进行到不同的时刻取样进行分析。用HPLC测定降解过程中2,4-二氯苯氧乙酸的浓度随时间的变化。样品的总有机碳含量（TOC）采用TOC测定仪进行测定。结果表明，电化学降解处理2h后，2,4-二氯苯氧乙酸的浓度下降为8.26mgL^-1，转化率达到91.7%；电化学降解处理3h后，TOC的转化率达到85.5%。

实施例3

采用制备得到的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极电催化氧化降解氟苯。

电催化降解在单池圆形电化学反应池中进行，反应池与外加循环冷凝***相连接，防止反应过程中氟苯的挥发。以制备的电极为阳极，Ti板为对电极，电极面积均为4.5cm²，采用恒电流电解进行降解，恒电流密度为20mA cm^-2，以含有0.1mol L^-1Na₂SO₄电解质的50mg L^-1的氟苯为模拟废水，反应体积均为70ml，在降解反应进行到不同时刻时取样进行分析。用HPLC测定降解过程中氟苯的浓度随时间的变化。样品的总有机碳含量（TOC）采用TOC测定仪进行测定。结果表明，电化学降解处理2h后，氟苯的浓度几乎下降为0，转化率达到99.8%；电化学降解处理3h后，TOC的转化率达到90.6%。而在相同条件下，利用传统的溶胶凝胶法制备的SnO₂/Ti电极电化学降解处理氟苯2h和3h后，TOC转化率分别为25.5%和34.3%。由此可见，本方法制备的SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极能够高效的降解难氧化的含氟的芳香烃类污染物。

上述实例证明：在TiO₂纳米管阵列基体上，采用简单的脉冲电沉积方法，通过金属元素Sb的掺杂，可以获得同时具有超高析氧电位和高催化活性的SnO₂电极。该电极可用于高浓度有机废水的高效电化学降解处理。

实施例4

一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，在经阳极化处理制备得到的二氧化钛纳米管阵列基体上，采用脉冲电沉积方法制备得到掺杂型SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，具体包括以下步骤：

（1）将纯金属钛片表面用金相砂纸进行打磨抛光，在含有0.05wt%的NH₄F，1.6wt%的Na₂SO₄以及10wt%的聚乙二醇（400）的溶液中以钛片为工作电极，铂片为对电极，进行电化学阳极氧化处理，在钛基表面获得有序的TiO₂纳米管阵列电极TiO₂-NTs，将制备得到的电极在管式炉中采用程序升温进行热处理，热处理的程序升温速率为1℃/min，热处理温度为450℃，热处理时间为5h；

（2）将SnCl₂·2H₂O、SbCl₃、乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂及盐酸配制成电镀液，该电镀液中SnCl₂的浓度为0.2mol/L，SbCl₃的浓度为0.2mol/L，盐酸的浓度为2mol/L，乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂的浓度为0.2g/L；

（3）以步骤（1）制备的TiO₂-NTs为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在1mol L^-1的氯化铵溶液中，于温度40℃条件下，在-1.5V的电位下还原3s，然后采用1.5mol L^-1的CuSO₄作为电解液通过脉冲电沉积法，控制温度为40℃将Cu沉积到纳米管的底部，沉积时间为5min，沉积循环参数为-70mA、10ms，70mA、1ms，0mA、1s，再将沉积有Cu的纳米管置于步骤（2）所配置的电镀液中，采用脉冲电沉积法，控制沉积温度为40℃，沉积时间为2h，沉积循环参数为45mA、10ms，-45mA、1ms，0mA、1s，将掺杂Sb的SnO₂沉积到纳米管中，制备得到高析氧电位高催化活性SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，即为产品。

实施例5

（1）将纯金属钛片表面用金相砂纸进行打磨抛光，在含有1.0wt%的NH₄F，2.0wt%的Na₂SO₄以及50wt%聚乙二醇（400）的溶液中以钛片为工作电极，铂片为对电极，进行电化学阳极氧化处理，在钛基表面获得有序的TiO₂纳米管阵列电极TiO₂-NTs，将制备得到的电极在管式炉中采用程序升温进行热处理，热处理的程序升温速率为5℃/min，热处理温度为550℃，热处理时间为3h；

（2）将SnCl₂·2H₂O、SbCl₃、乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂及盐酸配制成电镀液，该电镀液中SnCl₂的浓度为0.5mol/L，SbCl₃的浓度为0.4mol/L，盐酸的浓度为3mol/L，乙氧基氨丙基三硅氧烷表面活性剂的浓度为0.3g/L；

（3）以步骤（1）制备的TiO₂-NTs为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在2mol L^-1的氯化铵溶液中，于温度40℃条件下，在-1.5V的电位下还原3s，然后采用1.5mol L^-1的CuSO₄作为电解液通过脉冲电沉积法，控制温度为40℃将Cu沉积到纳米管的底部，沉积时间为10min，沉积循环参数为-70mA、10ms，70mA、1ms，0mA、1s，再将沉积有Cu的纳米管置于步骤（2）所配置的电镀液中，采用脉冲电沉积法，控制沉积温度为40℃，沉积时间为4h，沉积循环参数为45mA、10ms，-45mA、1ms，0mA、1s，将掺杂Sb的SnO₂沉积到纳米管中，制备得到高析氧电位高催化活性SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，即为产品。

上述的对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，其特征在于，该方法在经阳极化处理制备得到的钛基体二氧化钛纳米管阵列上，采用脉冲电沉积方法制备得到掺杂型SnO₂-Sb₂O₅/TiO₂-NTs电极，即为产品，具体包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中热处理的程序升温速率为1～5℃/min，热处理温度为450～550℃，热处理时间为3～5h。

3.根据权利要求1所述的一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中以CuSO₄作为电解液时采用的脉冲电沉积法的沉积循环参数为-70mA、10ms，70mA、1ms，0mA、1s。

4.根据权利要求1所述的一种处理含氟有机废水的高析氧电位电极的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中将掺杂Sb的SnO₂沉积到TiO₂-NTs中的脉冲电沉积法的沉积循环参数为45mA、10ms，-45mA、1ms，0mA、1s。