海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明屬于水處理新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，該制備方法依次包括以下步驟：步驟一、聚苯乙烯（PS）硬模板自組裝；步驟二、配制前驅(qū)體溶液及浸泡填充；步驟三、模板的去除；同時(shí)，本發(fā)明將該材料作為陰極應(yīng)用在可見光?電芬頓體系中催化氧化有機(jī)污染物中；本發(fā)明制備方法操作簡(jiǎn)單、成本低，制備得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明制備方法得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物在可見光?電芬頓中不僅能高效的降解有機(jī)污染物，還能夠在降解過程中充分利用可見光，有效降低能耗和處理成本。
【專利說明】
海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于水處理新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵的制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，全社會(huì)對(duì)水污染的問題十分關(guān)注，污水的處理方法得到了相應(yīng)的發(fā)展。
[0003]與此同時(shí)，海綿狀多層大孔(SMM)材料因其具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等特點(diǎn)引起了人們極大關(guān)注。20世紀(jì)90年代末，Imhof和Vevel等分別用微乳法和膠晶模板法成功地制備出海綿狀多層大孔材料;在此之后，各個(gè)國(guó)家的研究小組均用膠晶模板法制備了大量的海綿狀多層大孔材料。Zakhidov和Baughman采用化學(xué)氣相沉積法，在氧化硅模板中填入碳后用氫氟酸溶解去除氧化硅，得到了海綿狀多層大孔碳。Stein等合成出了氧化鈦，氧化鋯，氧化鋁，磷酸鹽，鹵化物一系列大孔材料。Pine采用了有序堆積的微乳液滴來合成大孔的陶瓷和塑料。已報(bào)道制成的SMM材料包括各種聚合物、雜化的有機(jī)硅酸鹽陶瓷材料、無機(jī)半導(dǎo)體材料、金屬氧化物、硫化物、金屬、合金和單質(zhì)的非金屬以及不同成分的復(fù)合物等。
[0004]然而，傳統(tǒng)方法制得的大孔材料孔徑分布較寬，孔道分布不規(guī)則，因此在諸多方面的應(yīng)用具有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應(yīng)用，從而制備孔材料強(qiáng)度高、三維周期性優(yōu)良且催化性能優(yōu)異的SMM- Fe2O3電極材料，同時(shí)，本發(fā)明將該材料作為陰極應(yīng)用在可見光-電芬頓體系中催化氧化有機(jī)污染物。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，該制備方法依次包括以下步驟:
步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝:
取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙稀微球乳液滴于2?4 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，用稀鹽酸和氨水調(diào)節(jié)酸堿度到I，得到PS微球乳液，之后將親水處理過的碳板保持豎直的緩慢置于PS微球乳液中，在45?65 °C的烘箱中恒溫干燥，直至溶液完全揮發(fā)，得到PS自組裝碳板；
步驟二、配制前驅(qū)體溶液及浸泡填充:
配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3.9H20的乙醇溶液作為前驅(qū)體溶液;將步驟一中PS自組裝碳板懸空浸泡在驅(qū)體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面干燥；
步驟二、模板的去除:
將步驟二中制得的材料放置于馬弗爐中，以5°C/min升溫至300 °C，煅燒2?2.5 h，在此期間PS硬模板被去除，F(xiàn)e(NO3)3被高溫分解生產(chǎn)Fe2O3,即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。
[0007]步驟一中的親水處理過程如下:
碳板在體積比為氨水:30%H2 02:去離子水=1:1: 5的混合溶液中加熱煮沸15min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干。
[0008]步驟一中所述的超聲處理六次，一次15 min，每次中途換水。
[0009]一種根據(jù)上述制備方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在可見光-電芬頓中的應(yīng)用。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
1.本發(fā)明制備的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極材料作為異相芬頓催化電極，它們整齊有序的大孔結(jié)構(gòu)為改善物質(zhì)傳輸和減小傳質(zhì)阻力提供了良好的通道;而且，本申請(qǐng)制備的多層大孔結(jié)構(gòu)能通過多重散射和慢光子效應(yīng)提高光的吸收效率，提高的光催化能力還可以進(jìn)一步加速Fe(III)/Fe(II)的循環(huán)從而提高Fe2O3的可見光-電芬頓的催化活性；
2.本發(fā)明制備方法操作簡(jiǎn)單、成本低。制備得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等優(yōu)點(diǎn)；
3.本發(fā)明制備方法得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物在可見光-電芬頓中不僅能高效的降解有機(jī)污染物，還能夠在降解過程中充分利用可見光，有效降低能耗和處理成本。
【附圖說明】
[0011 ]圖1分別是SMM-Fe203/C、Fe203/C、C電極的XRD圖；
圖2 是PS/C和SMM-Fe203/C的SHM照片。
【具體實(shí)施方式】
[0012]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明:
實(shí)施例1:
一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝:
取0.5 mL單分散聚苯乙稀微球乳液滴于3 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，將親水處理過的碳板浸漬到配置好的單分散聚苯乙烯微球乳液中，再將其置入65°C烘箱中靜置2.5h，待溶劑揮發(fā)完全后得到自組裝過PS的碳板；
上述親水處理的目的是為了在重力沉降過程中，聚苯乙烯微球乳液中的PS更加均勻有序的自組裝在基底上，處理過程如下，在氨水:30%H202:去離子水=1:1:5(體積比)的混合溶液中加熱煮沸15 min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干；
上述對(duì)聚苯乙烯乳液進(jìn)行超聲處理的目的是為了減少自組裝過程中出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象，超聲處理且超聲15 min—次，一共六次，中途換水，防止溫度對(duì)PS的影響；
如圖2B所示，直徑502 nm的PS微球均勻有序的分布在基底碳板上，而圖2A更顯示出PS在碳板上大面積均勻分布；
步驟二、配制前驅(qū)體溶液:
稱取2.02 g Fe(NO3)3-9H20，讓無水乙醇溶解Fe(N03)3.9H20，定容5mL，將自組裝過PS的碳板懸空浸泡在驅(qū)體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面揮發(fā)干燥，一般靜置時(shí)間4 h，靜置時(shí)間短會(huì)造成前驅(qū)液填充的不完全，靜置時(shí)間過長(zhǎng)則會(huì)使煅燒后的Fe2O3強(qiáng)度變??；
如圖1所示，所制備的樣品分別在24.1。、33.1。、35.7。、40.9。、49.5。、54.0。、62.4°、64.0 °測(cè)得典型衍射特征峰，與Fe2O3的典型衍射峰一致，且這些峰(012、104、110、113、024、116、214、300)與純晶體Fe2O3是一樣的，可以得出結(jié)論，所制的樣品為晶體Fe2O3。
[0013]步驟三、SMM- Fe2O3的沉積及模板的去除: 將步驟二中制得的碳板放置于馬弗爐中，以5°(:/1^11升溫300°(:，煅燒2.5 h，之后以同速降溫，在此期間PS模板被去除，F(xiàn)e(NO3)3被高溫分解生產(chǎn)Fe203。在此步驟后，即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。
[0014]圖2C和圖2D是具有大孔結(jié)構(gòu)Fe2O3的SEM照片；其中，圖2C是大孔結(jié)構(gòu)分布的平面圖，圖2 D是大孔結(jié)構(gòu)的剖面圖，更能顯示所制備材料的立體結(jié)構(gòu);從圖2C和圖2D可以看出，大孔在納米級(jí)別上均勻分布，并且在在垂直上有排序。
[0015]本實(shí)施例為本發(fā)明的最優(yōu)實(shí)施例。
[0016]實(shí)施例2:
與實(shí)施例1不同的是，在本實(shí)施例步驟一聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝中，取0.6 mL聚苯乙烯微球乳液滴于3 mL蒸餾水中；步驟三SMM- Fe2O3的沉積及模板的去除中，將步驟二中制得的碳板放置于馬弗爐中，5°C/min升溫至300 °C，煅燒2 h，之后以同速降溫，得到陰極電極。
[0017]實(shí)施例3:
與實(shí)施例1不同的是，本實(shí)施例步驟一聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝中，將親水處理過的碳板浸漬到配置好的單分散聚苯乙烯微球乳液中，再將其置入45°c烘箱中靜置3 h，待溶劑揮發(fā)完全后得到自組裝過PS的碳板。
[0018]下面介紹本發(fā)明方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在光-電芬頓中的應(yīng)用:
將自制的SMM-Fe203/C和傳統(tǒng)的Fe203/C分別作為陰極應(yīng)用到可見光-電芬頓體系中，對(duì)比兩種電極對(duì)亞甲基藍(lán)模擬廢水(50 mg/L)的降解能力。實(shí)驗(yàn)證明，SMM-Fe203/C電極的降解效率顯著高于Fe203/C電極，在60 min時(shí)，其降解率達(dá)到95%是Fe203/C電極的0.75倍。這不僅是由于SMM-Fe203/C電極中高度有序的大孔結(jié)構(gòu)有更高的光捕獲效率和光催化能力，而且大孔結(jié)構(gòu)表面原位產(chǎn)生的H2O2作為電子受體，進(jìn)而促進(jìn)電子-空穴的分離效率，提高降解過程中的催化降解效率。
[0019]本發(fā)明的內(nèi)容不限于實(shí)施例所列舉，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 該制備方法依次包括以下步驟: 步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝: 取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙稀微球乳液滴于2 ~ 4 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，用稀鹽酸和氨水調(diào)節(jié)酸堿度到I，得到PS微球乳液，之后將親水處理過的碳板保持豎直的緩慢置于PS微球乳液中，在45?65 °C的烘箱中恒溫干燥，直至溶液完全揮發(fā)，得到PS自組裝碳板； 步驟二、配制前驅(qū)體溶液及浸泡填充: 配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3.9H20的乙醇溶液作為前驅(qū)體溶液;將步驟一中PS自組裝碳板懸空浸泡在驅(qū)體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面干燥； 步驟二、模板的去除: 將步驟二中制得的材料放置于馬弗爐中，以5°C/min升溫至300 °C，煅燒2?2.5 h，在此期間PS硬模板被去除，F(xiàn)e(NO3)3被高溫分解生產(chǎn)Fe2O3,即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 步驟一中的親水處理過程如下: 碳板在體積比為氨水:30%H2 0 2:去離子水=1:1: 5的混合溶液中加熱煮沸15min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 步驟一中所述的超聲處理六次，一次15 min，每次中途換水。4.一種根據(jù)上述制備方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在可見光-電芬頓中的應(yīng)用。
【文檔編號(hào)】C02F1/30GK106044957SQ201610408593
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月13日
【發(fā)明人】王宇晶, 任珍, 王雪, 士麗敏
【申請(qǐng)人】西安工業(yè)大學(xué)