CN108751352B - 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法 - Google Patents

一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108751352B
CN108751352B CN201810516896.7A CN201810516896A CN108751352B CN 108751352 B CN108751352 B CN 108751352B CN 201810516896 A CN201810516896 A CN 201810516896A CN 108751352 B CN108751352 B CN 108751352B
Authority
CN
China
Prior art keywords
nitrogen
graphene aerogel
doped graphene
cephalosporin
aerogel electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201810516896.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108751352A (zh
Inventor
辛青
臧月
林君
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hangzhou Dianzi University
Original Assignee
Hangzhou Dianzi University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Dianzi University filed Critical Hangzhou Dianzi University
Priority to CN201810516896.7A priority Critical patent/CN108751352B/zh
Publication of CN108751352A publication Critical patent/CN108751352A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108751352B publication Critical patent/CN108751352B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
    • C02F1/46104—Devices therefor; Their operating or servicing
    • C02F1/46109—Electrodes
    • C02F2001/46133—Electrodes characterised by the material
    • C02F2001/46138—Electrodes comprising a substrate and a coating
    • C02F2001/46142—Catalytic coating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2101/00—Nature of the contaminant
    • C02F2101/30—Organic compounds

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Hydrology & Water Resources (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Electric Double-Layer Capacitors Or The Like (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

本发明公开了一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法；本发明的电化学阳极采用石墨烯的三维宏观体气凝胶作为电极材料，并通过氮元素掺杂，提高了材料的活性位点和催化效率，从而提高了头孢菌素的去除效果，降低了运行成本。可用于水体中头孢类抗生素的去除。

Description

一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法
技术领域
本发明属于纳米催化技术和抗生素废水处理领域，尤其涉及一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法。
背景技术
抗生素污染是环境保护领域研究的热点问题。大量的抗生素在生活污水和环境水体中被频繁检出，尽管目前在水环境中检出的抗生素浓度较低，但水体中的抗生素残留会对细菌产生选择性的压力，驱使细菌变异和基因转移，从而导致耐药菌和耐药基因问题。世界卫生组织(WHO)已经把细菌的耐药性定性为对人类生存和健康最具威胁的污染之一。此外，水体的抗生素残留会影响环境中的微生物、破坏生态平衡、威胁人类健康。头孢菌素是目前临床使用最广泛的一类抗生素，在污水和天然水中被频繁检出，发明能安全高效降解含头孢菌素污水的方法具有良好的经济效益和深远的社会意义。
电化学氧化技术用于有机物分解，具有装置简单、易操作、安全性高等优点。有机物的电化学氧化反应是在电极/溶液的界面上进行的，阳极材料作为电化学氧化技术中重要的基础组成部分，直接影响有机物降解的效率和选择性，在电化学中具有十分重要的作用。良好的阳极材料需要有足够的机械强度、具有化学稳定性、高催化活性和较高的电流效率。
三维石墨烯气凝胶是石墨烯在三维宏观尺度构筑的主要结构形式之一，其丰富的孔隙结构、大的比表面积、优异的导电特性，使三维石墨烯气凝胶在电极材料、催化剂载体、传感器以及污染物吸附等领域具有广阔的应用前景。三维石墨烯气凝胶的结构中，孔隙的形成是由构筑单元-石墨烯纳米片的卷曲堆叠而成，相比传统的炭凝胶，石墨烯气凝胶具有丰富的纳米孔道结构，且石墨烯片层的柔性使其具有较好的机械特性。为了拓宽石墨烯气凝胶的氧化还原活性，氮掺杂是一个很好的选择。
发明内容
本发明针对水体中抗生素的污染问题，制备具有高导电率，高催化活性的氮掺杂的石墨烯气凝胶材料，作为电化学反应体系的阳极。
采用氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，该方法包括以下步骤：
(1)、制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；
(2)、将制备好的氮掺杂石墨烯气凝胶材料磨成粒径范围在100-200目之间的粉末，用聚四氟乙烯(PVDF)为粘结剂，按质量比，氮掺杂石墨烯凝胶：乙炔黑：PVDF＝8:1:1，用DMAc为溶剂，搅拌均匀后，涂抹在炭纸上，涂抹后的炭纸放置在80℃的烘箱内10h以上，干燥后作为阳极，采用未涂抹材料的空白炭纸为阴极，银/氯化银电极为参比电极；
(3)、将头孢曲松钠溶液配制好装在电化学反应器中，头孢曲松钠的浓度为1mg/l-20mg/l；
(4)、在头孢曲松钠溶液中加入5mM的KCl作为电解质；
(5)、将氮掺杂石墨烯气凝胶阳极、炭纸阴极和银/氯化银参比电极，通过电化学反应器瓶盖的小孔固定在电化学反应器中，3个电极分别与电化学工作站相连。打开电化学工作站，输入电流密度为2-5mA/cm2，达到处理时间后，取样检测，测定对头孢曲松钠的去除率。
所述的氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，所述的石墨烯气凝胶电极材料，其制备时，以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为1-3wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为200:1-500:1，氮含量为1-3wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料。
所述的氮掺杂石墨烯气凝胶电极，涂抹在炭纸上的实际重量和炭纸的面积比为2-4mg/cm2。
所述的制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极的氧化石墨烯，其厚度小于3nm，片层数1-4层，比表面积400-600m2/g。
本发明的有益效果在于：新型的电化学阳极，采用石墨烯的三维宏观体气凝胶作为电极材料，并通过氮元素掺杂，提高了材料的活性位点和催化效率，从而提高了头孢菌素的去除效果，降低了运行成本。可用于水体中头孢类抗生素的去除。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为3wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为200:1，氮含量为3wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用PVDF粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为4mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，其浓度为1mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器中，加入5mM KCl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为5mA/cm2，经20min处理后取样检测，降解效率为99.5％。
实施例2
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为2wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为300:1，氮含量为2wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用PVDF粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为3mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，头孢曲松钠的浓度为10mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，加入5mM KCl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为3mA/cm2，经30min处理后取样检测，降解效率为92.4％。
实施例3
1、以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为1wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为500:1，氮含量为1wt％。将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天。萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；将制备好氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料研磨成150-200目之间的粉末，用PVDF粘结剂搅拌后，均匀的涂在炭纸上，烘干后称量，涂抹材料的实际重量和炭纸面积的比为2mg/cm2。
2、配制50ml的头孢曲松钠，其浓度为浓度为20mg/l。
3、将配好的头孢曲松钠溶液放入电化学反应器(直径4cm，高10cm的圆柱形反应器，通过上盖的小孔固定电极)中，加入5mM KCl作为电解质，将三电极分别放入电化学反应器，并与电化学工作站相连，阳极与阴极的电极距离为1cm。
4、打开电源开关，输入电流密度为2mA/cm2，经30min处理后取样检测，降解效率为86.8％。

Claims (3)

1.一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)、制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料；
(2)、将制备好的氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料磨成粒径范围在150-200目之间的粉末，用聚四氟乙烯(PVDF)为粘结剂，按质量比，氮掺杂石墨烯气凝胶：乙炔黑：PVDF＝8:1:1，用DMAc为溶剂，搅拌均匀后，涂抹在炭纸上，涂抹后的炭纸放置在80℃的烘箱内10h以上，干燥后作为阳极，采用未涂抹材料的空白炭纸为阴极，银/氯化银电极为参比电极；
(3)将待处理的头孢菌素配制好装在电化学反应器中，待处理头孢菌素的浓度为1mg/l-20mg/l；
(4)打开电源开关，输入电流密度为2-5mA/cm2，达到处理时间后，取样检测，测定对头孢菌素的去除率；
所述的石墨烯气凝胶电极材料，制备时，以间苯二酚、甲醛和氧化石墨烯为前驱体，三聚氰胺做为氮源，碳酸钠为催化剂，按比例配制凝胶，其中间苯二酚和甲醛的摩尔比为1:2，氧化石墨烯的含量为1-3wt％，间苯二酚和碳酸钠的摩尔比为200:1-500:1，氮含量为1-3wt％；将上述溶液装入密闭的容器中80℃老化5天，放入丙酮萃取2天；萃取后的材料在40ml/min的氮气保护下，经过110℃下2h，800℃下2h的高温炭化，即得氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，其特征在于：所述的氮掺杂石墨烯气凝胶电极，涂抹在炭纸上的实际重量和炭纸的面积比为2-4mg/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法，其特征在于：所述的制备氮掺杂石墨烯气凝胶电极材料的氧化石墨烯，其厚度小于3nm，片层数1-4层，比表面积400-600m2/g。
CN201810516896.7A 2018-05-25 2018-05-25 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法 Active CN108751352B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810516896.7A CN108751352B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810516896.7A CN108751352B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108751352A CN108751352A (zh) 2018-11-06
CN108751352B true CN108751352B (zh) 2021-01-26

Family

ID=64005871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810516896.7A Active CN108751352B (zh) 2018-05-25 2018-05-25 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108751352B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110289182B (zh) * 2019-04-22 2021-03-02 杭州电子科技大学 锰掺杂炭凝胶@(PANI/GO)n//NGA@PEDOT电极材料制备方法
CN111204852B (zh) * 2020-01-17 2022-05-20 四川农业大学 一种畜禽废水尾水处理系统
CN116212875A (zh) * 2023-02-23 2023-06-06 江苏科技大学 FeCo/C催化材料、FeCo/C工作电极和电化学传感器

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102874796A (zh) * 2012-09-17 2013-01-16 中国科学院山西煤炭化学研究所 氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶及制备方法
CN107739074A (zh) * 2017-09-08 2018-02-27 南开大学 一种高催化活性氮掺杂石墨烯复合阴极制备方法及降解有机污染物技术

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102874796A (zh) * 2012-09-17 2013-01-16 中国科学院山西煤炭化学研究所 氮掺杂石墨烯水凝胶或气凝胶及制备方法
CN107739074A (zh) * 2017-09-08 2018-02-27 南开大学 一种高催化活性氮掺杂石墨烯复合阴极制备方法及降解有机污染物技术

Also Published As

Publication number Publication date
CN108751352A (zh) 2018-11-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yaqoob et al. Development and modification of materials to build cost-effective anodes for microbial fuel cells (MFCs): An overview
Shao et al. Nitrogen-doped hollow mesoporous carbon spheres modified g-C3N4/Bi2O3 direct dual semiconductor photocatalytic system with enhanced antibiotics degradation under visible light
Zhang et al. Selective H2O2 production on N-doped porous carbon from direct carbonization of metal organic frameworks for electro-Fenton mineralization of antibiotics
Ghasemi et al. Nano-structured carbon as electrode material in microbial fuel cells: A comprehensive review
Yuan et al. Nitrogen-doped carbon sheets derived from chitin as non-metal bifunctional electrocatalysts for oxygen reduction and evolution
CN108751352B (zh) 一种氮掺杂石墨烯气凝胶电极电催化降解头孢菌素的方法
Zhu et al. Lightweight, conductive hollow fibers from nature as sustainable electrode materials for microbial energy harvesting
Zhou et al. Nitrogen self-doped porous carbon from surplus sludge as metal-free electrocatalysts for oxygen reduction reactions
Popov et al. The effect of physico-chemically immobilized methylene blue and neutral red on the anode of microbial fuel cell
CN103241807B (zh) 一种应用于复极性三维电极反应器的复合粒子电极及其制备方法
CN103566961A (zh) 无金属掺杂氮功能化介孔碳催化剂及其制备和应用
Zhang et al. Electrocatalyst derived from fungal hyphae and its excellent activity for electrochemical production of hydrogen peroxide
CN104925913A (zh) 用于去除污废水中难降解有机物和氨氮的催化粒子电极及其制备方法和应用
CN110106514A (zh) 一种5-羟甲基糠醛电化学氧化制备2,5-呋喃二甲酸的方法
Chen et al. N-doped 3D porous carbon catalyst derived from biowaste Triarrhena sacchariflora panicle for oxygen reduction reaction
Matsena et al. Improved performance and cost efficiency by surface area optimization of granular activated carbon in air-cathode microbial fuel cell
Liu et al. Enhanced performance of microbial fuel cell using carbon microspheres modified graphite anode
CN103343342A (zh) 一种聚吡咯-多壁碳纳米管协同修饰载钯复合电极的方法及应用
CN110713233B (zh) Pd/MnO2-Ni电极及其制备方法和应用
Sun et al. Dip-coating prepared nickel-foam composite cathodes with hydrophobic layer for atenolol elimination in electro-Fenton system
Tian et al. Fungus-sourced filament-array anode facilitates Geobacter enrichment and promotes anodic bio-capacitance improvement for efficient power generation in microbial fuel cells
CN106587277A (zh) 炭黑‑纳米氧化铁/聚四氟乙烯的非均相管式膜电极
CN204569509U (zh) 景观水杀菌除藻装置
CN108358285A (zh) 一种Fe3O4/生物质碳阴极电降解水中头孢他啶的方法
CN108529720B (zh) 一种颗粒电极及其制备方法和应用

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant