CN102079557A - 一种碳纳米管电极的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于持久性有机物电解的碳纳米管电极的制备方法，碳纳米管因其独特的力学、电子特性及化学稳定性而引起了世界范围内的研究兴趣。碳纳米管能够有效地促进生物物质、环境物质的电子传递。近年来，有关碳纳米管的电化学活性机理与其形态结构、制备方法和表面修饰等方面的关系日益受到研究者的关注。利用碳纳米管上述优点制备碳纳米管电极，并通过对碳纳米管进行不同修饰，使之能应用于不同污染物的降解。通过调节碳纳米管、聚四氟乙烯乳液和修饰金属的比例制备碳纳米管电极，该电极具有制备过程简单、强度大、寿命长、导电性好等优点，应用该电极电化学降解含三氯生溶液，在反应一定时间后，脱氯率可达85％以上。

Description

一种碳纳米管电极的制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管电极的制备方法，电极制备过程简单，性能稳定，经过修饰后可以用于电解持久性有机污染物，特别是一些氯代有机物，是一种优良的电极。 

背景技术

1991年日本科学家Iijima利用高分辨电镜研究真空电弧蒸发石墨物，发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物，即多壁碳纳米管。这一发得到物理界、化学界和材料科学界以及高新技术产业部门的广泛关注，在掀起了继C60后又一次研究高潮。碳纳米管独特的物理化学性能，如极高的机械强度、良好的吸附能力和较强的微波吸收能日益为人们所认识。 

碳纳米管独特的原子结构使其表现出金属性或半导体性，利用这种独特的电子特性，可以将碳纳米管作为电极材料制成碳纳米管电极。研究表明：在碳质吸附剂的纳米空间中，会发生不同于宏观平面上的一些物理化学过程。在类石墨微晶无规排列形成的分子尺度的纳米空间(尤其是孔宽在2nm以下的微孔)中，由于相对孔壁碳原子的势能叠加效应，可形成强大的分子场。吸附在其中的分子相互作用大幅增加，具有与体相分子完全不同的物化性质具有不同的反应活性，可发生很多的在常规条件下不发生或很难发生的化学过程。 

随着全球人口的急剧增长，水资源日益成为影响人类发展的重要制约因素，污、废水的回收利用逐渐受到重视，这要求城市污水中的微污染物也能得到处理。药物和个人护理用品(pharmaceuticals and personal care products，PPCPs)就 是一种重要的微污染物，在日常生活中使用非常普遍，虽然该类污染物在环境中的浓度很低，但其每年的排放量相当可观。然而直到20世纪90年代末，PPCPs污染才被人们正式提出，美国和欧洲才开始对此类污染进行调查。 

PPCPs是几千种化学物质的总称，用作人体(或动物)健康品及美容品。PPCPs一般是合成的有机化合物，其中的类固醇类雌激素已被证实可引起水体中雄性鱼的卵黄蛋白原增加，出现明显的雌性化。虽然目前没有确切证据表明其对人类环境健康造成危害，但其引起的环境安全风险受到人们越来越多的关注。环境中的PPCPs主要来源于人群的利用和排泄，养殖、畜牧业及PPCPs的工厂剩余物等，目前在地表水、地下水、饮用水和污水厂出水中发现50多种PPCPs物质，其中包括处方药和非处方药、香料、化妆品、遮光剂、染发剂、发胶、香皂、洗发水等。这些物质大多超过了现有的水质标准，现有水处理技术对相当一部分物质并没有明显的去除效果。 

随着PPCPs的迁移、转化和降解，地下水中的PPCPs含量也越来越多了。研究表明，大量的极性药物更容易进入地下水中，它们主要是通过垃圾填埋场的渗滤作用、市政污水管道系统中的直接渗滤、受污染的地表水回灌地下水、处理过的地表水的浅滩渗滤等方式。所以现在我们应加强对地下水中PPCPs的检测和研究。 

污水处理厂的出水排放被认为是一个很重要的途径，目前，一般城市污水处理厂均是以去除有机物及一些营养物质为目标而设计建造的，其对PPCPs的去除能力有限。国内对污水处理厂出水研究已有了初步研究，在美国、日本、加拿大和欧洲等国家和地区的城市污水厂出水中存在微量的药品、麝香、医用显影剂等剩余物。芬兰的污水处理厂出水中普遍存在下列5种药品：布洛芬(ibupro-fen)、普生(naproxen)、酮洛芬(ketoprofen)、双氯芬酸(diclofenac)、苯扎 贝特(bezafibrate)。在我国广州市某城市污水处理厂的出水中，测到一定含量的抗生素、多环麝香。所以对PPCPs降解的研究也越来越受到关注。 

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于电解PPCPs的碳纳米管电极的制备方法，利用碳纳米管特有的导电性和吸附性，对PPCPs进行还原脱氯，增加这些化合物的可生物降解性。 

这种碳纳米管电极的制备以下述技术方案实现： 

(1)先用一定浓度的硝酸对碳纳米管进行纯化预处理，增强碳纳米管的亲水性，将预处理后的碳纳米管用超纯水清洗至中性，放入干燥箱中烘干，得到纯化后的碳纳米管。 

(2)将一定量步骤(1)中纯化后的碳纳米管和聚四氟乙烯乳液(PTFE)按一定比例混合，接着进行超声处理，得到均匀的黑色悬浊液，将得到的悬浊液置于干燥箱中烘干，最后在室温下用压片机冷压成型，即得未修饰的碳纳米管电极。 

(3)将一定量步骤(1)中纯化后的碳纳米管进行化学镀钯，过程为：取一定量纯化后的碳纳米管浸入镀钯溶液中，在水浴中反应1h，取出修饰后碳纳米管，用超纯水洗至中性，在重复步骤(2)即得碳纳米管的镀钯电极。 

化学镀钯溶液的成分： 

PbCl₂                4g/L 

NH₄Cl                54g/L 

氨水(28％)           320ml/L 

NaH₂PO₂            20g/L 

本发明特点：本发明提供一种碳纳米管电极的制备方法。该方法与以往碳纳米管电极的制备方法相比具有电极强度大，寿命长，吸附性好，制备工艺简单、易于修饰不同的金属等特点，上述特点保证了该电极可应用于氯代有机物的还原脱氯。 

下面通过附图及实施例进一步描述本发明，但本发明并不限于下述实施例。 

附图说明

图1.本发明电解三氯生的工艺图 

附图标记 

1.稳压稳流电源            2.电流表            3.电压表 

4.调节旋钮                5.电源接线柱        6.电解槽 

7.Pt电极和碳纳米管电极    8.恒温磁力加热搅拌器 

9.转子                                        10.导线 

具体实施方式

实施例：镀钯的碳纳米管电极电解三氯生。 

首先配制一定浓度三氯生溶液(其中支持电解质为硫酸钠，浓度为1000mg/L)，用NaOH和硫酸调节pH后，加入电解槽中，开动磁力搅拌器，设定电解电压为30V，在室温下开始电解，在电解10h后，三氯生的去除率达95％以上，脱氯率达85％。 

Claims (6)

1.一种碳纳米管电极的制备方法，其特征是以一定粒径的碳纳米管作为电极材料，用聚四氟乙烯乳液为胶凝剂，通过调节两者比例来制备所需电极，该方法操作过程简单，所得电极强度大，性能稳定，包括以下步骤：

(1)用硝酸纯化碳纳米管，以增强碳纳米管的亲水性。

(2)对纯化后的碳纳米管进行化学镀钯。

(3)将上述所得碳纳米管与聚四氟乙烯乳液超声成均匀的黑色悬浊液。

(4)将悬浊液放入烘箱中干燥，最后在室温下用压片机冷压成型。

(5)用制备的碳纳米管电极处理含三氯生水样，但不限于三氯生水样，以此来测试电极的性质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的制备碳纳米管电极的原料氯化铁是指碳纳米管和聚四氟乙烯乳液。碳纳米管粒径在5nm～50nm之间，长度范围在5μm～35μm。聚四氟乙烯乳液中树脂含量为60％。镀钯液为钯铵络合物溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：用硝酸对碳纳米管进行纯化处理，增加碳纳米管的亲水性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：碳纳米管电解的制备过程中碳纳米管和聚四氟乙烯溶液的质量比超过4∶1(含4∶1)，通过超声分散混合物，得到均匀的黑色悬浊液。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：用化学镀钯的方法对碳纳米管电极进行修饰，通过改变碳纳米管和镀钯液量的比值，来控制碳纳米管上的镀钯量。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：用制备所得电极在恒定电压电解三氯生废水，达到还原脱氯的目的，以此来测试电极的性质。