CN106044957A - 海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法及其应用 - Google Patents

海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明属于水处理新材料技术领域，具体涉及一种海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法，该制备方法依次包括以下步骤：步骤一、聚苯乙烯（PS）硬模板自组装；步骤二、配制前驱体溶液及浸泡填充；步骤三、模板的去除；同时，本发明将该材料作为阴极应用在可见光‑电芬顿体系中催化氧化有机污染物中；本发明制备方法操作简单、成本低，制备得到的海绵状多层大孔铁氧化物具有均一、有序的大孔孔道、较高的孔体积等优点，本发明制备方法得到的海绵状多层大孔铁氧化物在可见光‑电芬顿中不仅能高效的降解有机污染物，还能够在降解过程中充分利用可见光，有效降低能耗和处理成本。

Description

海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法及其应用
技术领域
本发明属于水处理新材料技术领域，具体涉及一种海绵状多层大孔三氧化二铁的制备方法及其应用。
背景技术
近年来，全社会对水污染的问题十分关注，污水的处理方法得到了相应的发展。
与此同时，海绵状多层大孔(SMM)材料因其具有均一、有序的大孔孔道、较高的孔体积等特点引起了人们极大关注。20世纪90年代末，Imhof和Vevel等分别用微乳法和胶晶模板法成功地制备出海绵状多层大孔材料；在此之后，各个国家的研究小组均用胶晶模板法制备了大量的海绵状多层大孔材料。Zakhidov和Baughman采用化学气相沉积法，在氧化硅模板中填入碳后用氢氟酸溶解去除氧化硅，得到了海绵状多层大孔碳。Stein等合成出了氧化钛，氧化锆，氧化铝，磷酸盐，卤化物一系列大孔材料。Pine采用了有序堆积的微乳液滴来合成大孔的陶瓷和塑料。已报道制成的SMM材料包括各种聚合物、杂化的有机硅酸盐陶瓷材料、无机半导体材料、金属氧化物、硫化物、金属、合金和单质的非金属以及不同成分的复合物等。
然而，传统方法制得的大孔材料孔径分布较宽，孔道分布不规则，因此在诸多方面的应用具有一定的局限性。
发明内容
本发明的目的是提供一种海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法及其应用，从而制备孔材料强度高、三维周期性优良且催化性能优异的SMM- Fe2O3电极材料，同时，本发明将该材料作为阴极应用在可见光-电芬顿体系中催化氧化有机污染物。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法， 该制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、聚苯乙烯（PS）硬模板自组装：
取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙烯微球乳液滴于2 ~ 4 mL蒸馏水中，超声处理90 min后，用稀盐酸和氨水调节酸碱度到1，得到PS微球乳液，之后将亲水处理过的碳板保持竖直的缓慢置于PS微球乳液中，在45~65 ℃的烘箱中恒温干燥，直至溶液完全挥发，得到PS自组装碳板；
步骤二、配制前驱体溶液及浸泡填充：
配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3•9H2O的乙醇溶液作为前驱体溶液；将步骤一中PS自组装碳板悬空浸泡在驱体溶液中0.5 h后取出碳板，静置于室温下直至表面干燥；
步骤三、模板的去除：
将步骤二中制得的材料放置于马弗炉中，以5℃/min升温至300 ℃，煅烧2~2.5 h，在此期间PS硬模板被去除，Fe(NO3)3被高温分解生产Fe2O3，即可得到海绵状多层大孔铁氧化物电极。
步骤一中的亲水处理过程如下：
碳板在体积比为氨水：30％H₂O₂：去离子水 = 1 ：1 : 5的混合溶液中加热煮沸15min，之后超声清洗5 min，最后在烘箱中烘干。
步骤一中所述的超声处理六次，一次15 min，每次中途换水。
一种根据上述制备方法制得的海绵状多层大孔三氧化二铁电极在可见光-电芬顿中的应用。
本发明的有益效果：
1. 本发明制备的海绵状多层大孔三氧化二铁电极材料作为异相芬顿催化电极，它们整齐有序的大孔结构为改善物质传输和减小传质阻力提供了良好的通道；而且，本申请制备的多层大孔结构能通过多重散射和慢光子效应提高光的吸收效率，提高的光催化能力还可以进一步加速Fe（III）/Fe（II）的循环从而提高Fe2O3的可见光-电芬顿的催化活性；
2. 本发明制备方法操作简单、成本低。制备得到的海绵状多层大孔铁氧化物具有均一、有序的大孔孔道、较高的孔体积等优点；
3. 本发明制备方法得到的海绵状多层大孔铁氧化物在可见光-电芬顿中不仅能高效的降解有机污染物，还能够在降解过程中充分利用可见光，有效降低能耗和处理成本。
附图说明
图1分别是SMM-Fe2O3/C、Fe2O3/C、C电极的XRD图；
图2 是PS/C和SMM-Fe2O3/C的SEM照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明：
实施例1：
一种海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、聚苯乙烯（PS）硬模板自组装：
取0.5 mL单分散聚苯乙烯微球乳液滴于3 mL蒸馏水中，超声处理90 min后，将亲水处理过的碳板浸渍到配置好的单分散聚苯乙烯微球乳液中，再将其置入65℃烘箱中静置2.5h，待溶剂挥发完全后得到自组装过PS的碳板；
上述亲水处理的目的是为了在重力沉降过程中，聚苯乙烯微球乳液中的PS更加均匀有序的自组装在基底上，处理过程如下，在氨水：30%H2O2 ：去离子水 = 1:1:5（体积比）的混合溶液中加热煮沸15 min，之后超声清洗5 min，最后在烘箱中烘干；
上述对聚苯乙烯乳液进行超声处理的目的是为了减少自组装过程中出现的团聚现象，超声处理且超声15 min一次，一共六次，中途换水，防止温度对PS的影响；
如图2B所示，直径502 nm的PS微球均匀有序的分布在基底碳板上，而图2A更显示出PS在碳板上大面积均匀分布；
步骤二、配制前驱体溶液：
称取2.02 g Fe(NO3)3•9H2O，让无水乙醇溶解Fe(NO3)3•9H2O，定容5mL，将自组装过PS的碳板悬空浸泡在驱体溶液中0.5 h后取出碳板，静置于室温下直至表面挥发干燥，一般静置时间4 h，静置时间短会造成前驱液填充的不完全，静置时间过长则会使煅烧后的Fe2O3强度变小；
如图1所示，所制备的样品分别在24.1º、33.1º、35.7º、40.9º、49.5º、54.0º、62.4º、64.0º测得典型衍射特征峰，与Fe2O3的典型衍射峰一致，且这些峰（012、104、110、113、024、116、214、300）与纯晶体Fe2O3是一样的，可以得出结论，所制的样品为晶体Fe2O3。
步骤三、SMM- Fe2O3的沉积及模板的去除：
将步骤二中制得的碳板放置于马弗炉中，以5℃/min升温300℃，煅烧2.5 h，之后以同速降温，在此期间PS模板被去除，Fe(NO3)3被高温分解生产Fe2O3。在此步骤后，即可得到海绵状多层大孔铁氧化物电极。
图2C和图2D是具有大孔结构Fe2O3的SEM照片；其中，图2 C是大孔结构分布的平面图，图2 D是大孔结构的剖面图，更能显示所制备材料的立体结构；从图2C和图2D可以看出，大孔在纳米级别上均匀分布，并且在在垂直上有排序。
本实施例为本发明的最优实施例。
实施例2：
与实施例1不同的是，在本实施例步骤一聚苯乙烯（PS）硬模板自组装中，取0.6 mL聚苯乙烯微球乳液滴于3 mL蒸馏水中；步骤三SMM- Fe2O3的沉积及模板的去除中，将步骤二中制得的碳板放置于马弗炉中，5℃/min升温至300 ℃，煅烧2 h，之后以同速降温，得到阴极电极。
实施例3：
与实施例1不同的是，本实施例步骤一聚苯乙烯（PS）硬模板自组装中，将亲水处理过的碳板浸渍到配置好的单分散聚苯乙烯微球乳液中，再将其置入45℃烘箱中静置3 h，待溶剂挥发完全后得到自组装过PS的碳板。
下面介绍本发明方法制得的海绵状多层大孔三氧化二铁电极在光-电芬顿中的应用：
将自制的SMM-Fe2O3/C和传统的Fe2O3/C分别作为阴极应用到可见光-电芬顿体系中，对比两种电极对亚甲基蓝模拟废水（50 mg/L）的降解能力。实验证明，SMM-Fe2O3/C电极的降解效率显著高于Fe2O3/C电极，在60 min时，其降解率达到95%是Fe2O3/C电极的0.75倍。这不仅是由于SMM-Fe2O3/C电极中高度有序的大孔结构有更高的光捕获效率和光催化能力，而且大孔结构表面原位产生的H2O2作为电子受体，进而促进电子-空穴的分离效率，提高降解过程中的催化降解效率。
本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法，其特征在于：
该制备方法依次包括以下步骤：
步骤一、聚苯乙烯（PS）硬模板自组装：
取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙烯微球乳液滴于2 ~ 4 mL蒸馏水中，超声处理90 min后，用稀盐酸和氨水调节酸碱度到1，得到PS微球乳液，之后将亲水处理过的碳板保持竖直的缓慢置于PS微球乳液中，在45~65 ℃的烘箱中恒温干燥，直至溶液完全挥发，得到PS自组装碳板；
步骤二、配制前驱体溶液及浸泡填充：
配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3•9H2O的乙醇溶液作为前驱体溶液；将步骤一中PS自组装碳板悬空浸泡在驱体溶液中0.5 h后取出碳板，静置于室温下直至表面干燥；
步骤三、模板的去除：
将步骤二中制得的材料放置于马弗炉中，以5℃/min升温至300 ℃，煅烧2 ~ 2.5 h，在此期间PS硬模板被去除，Fe(NO3)3被高温分解生产Fe2O3，即可得到海绵状多层大孔铁氧化物电极。
2.根据权利要求1所述的海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法，其特征在于：
步骤一中的亲水处理过程如下：
碳板在体积比为氨水：30％H₂O₂：去离子水 = 1 ：1 : 5的混合溶液中加热煮沸15min，之后超声清洗5 min，最后在烘箱中烘干。
3.根据权利要求1或2所述的海绵状多层大孔三氧化二铁电极的制备方法，其特征在于：
步骤一中所述的超声处理六次，一次15 min，每次中途换水。
4.一种根据上述制备方法制得的海绵状多层大孔三氧化二铁电极在可见光-电芬顿中的应用。
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