CN110818035A - 一种TiN/活性炭三维粒子电极及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种TiN/活性炭三维粒子电极及其制备方法，制备方法过程如下：对活性炭粒子进行表面处理去除其表面的有机物和氧化层后，将表面处理后的活性炭粒子加入到钛基化合物、无水乙醇、稳定剂和超纯水混合形成的透明凝胶溶液中，进行震荡浸渍后，过滤，所得固体粒子干燥后置于马弗炉中，在空气气氛下进行高温煅烧，使负载在活性炭粒子上的钛基化合物转变为TiO2成分，制得TiO2/活性炭材料；所得TiO2/活性炭材料置于马弗炉中，在通入NH3气氛下进行高温煅烧，使TiO2/活性炭材料上的TiO2被还原成TiN成分，即制得所述的TiN/活性炭三维粒子电极。本发明制备的TiN/活性炭三维粒子电极具有电阻低、导电性能优良、耐腐蚀性等优点，且制备方法简单易行，方便于大范围推广。

Description

一种TiN/活性炭三维粒子电极及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种TiN/活性炭三维粒子电极及其制备方法。
背景技术
Backhurst在1969年首次提出了三维电极（Three-dimensional electrode）的概念，三维电极又叫粒子电极（particle electrode），是一种在传统二维电解槽电极间装填粒状或其他形式工作电极材料的新型电化学反应器。通过外加电压使装填的工作材料表面带电，成为独立的电极（第三级），在每个工作材料表面发生电化学反应，形成无数个微型电解槽。因此三维电极相比于传统二维电极具有更大的比表面积，更高的电解槽面体比，可利用较低的电流密度提供较大的电流强度，微小的粒子间距提供更快的传质速度和反应速度，提高电流效率和时空效率，处理效果更好。
三维电极电催化氧化技术的核心是粒子电极材料，粒子电极的性能决定了电催化反应的处理效率及运行成本。传统电极材料的电阻较大、导电性能较差，在实际废水处理应用中，使电流效率较低，稳定性差，同时材料的耐腐蚀性较差，导致电极寿命较短。因此，探索研究和制备一种新型的三维粒子电极材料是解决问题的关键。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种TiN/活性炭三维粒子电极及其制备方法，本发明提供的TiN/活性炭三维粒子电极具有电阻低、导电性能优良、耐腐蚀性等优点。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将活性炭粒子进行表面处理，即通过有机溶剂A对活性炭粒子进行洗涤以去除其表面的有机物后，再对活性炭粒子进行酸处理以去除其表面的氧化层，将经过酸处理后的活性炭粒子用超纯水洗涤至中性，烘干，即表面处理完成；
2）将钛基化合物加入无水乙醇中，然后加入稳定剂，在搅拌条件下逐滴缓慢滴加超纯水，搅拌均匀后得到透明稳定的凝胶溶液，即得浸渍液；
3）将步骤1）表面处理后的活性炭粒子加入到步骤2）所得浸渍液中，进行震荡浸渍0.5-24h，使钛基化合物负载到活性炭粒子上，然后滤去浸渍液，所得固体粒子进行干燥；
4）步骤3）干燥后的固体粒子置于马弗炉中，在空气气氛下进行高温煅烧，使负载在活性炭粒子上的钛基化合物转变为TiO2成分，制得TiO2/活性炭材料；
5）步骤4）所得TiO2/活性炭材料置于马弗炉中，在通入NH3气氛下进行煅烧还原，使TiO2/活性炭材料上的TiO2被还原成TiN成分，即制得所述的TiN/活性炭三维粒子电极。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤1）中，有机溶剂A对活性炭粒子进行洗涤的具体步骤为：将活性炭粒子置于有机溶剂A中超声震荡5-300min，所述有机溶剂A为体积比1~30 : 1的乙醇和丙酮混合液。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤1）中，对活性炭粒子进行酸处理的具体步骤为：将活性炭粒子放入浓度为0.01-0.5mol/L的HNO3水溶液中煮沸处理2-10min，随后自然冷却至室温。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤2）中，钛基化合物为钛酸四丁酯，稳定剂为冰醋酸。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤2）中，所述钛基化合物中的活性成分Ti加入到无水乙醇中的浓度为1-100mg/L，稳定剂的体积用量为无水乙醇体积的0.5‰-8‰；所述超纯水的体积用量为无水乙醇体积的0.1%-5%。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤3）中，震荡浸渍的温度为10℃-80℃；干燥的温度为60-105℃，干燥的时间为0.5-12h。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤4）中，进行高温煅烧的过程为：从室温以2~5℃/min的速率升温至200-1100℃后，恒温煅烧0.5-12h，随后自然降温至室温。
所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤5）中，NH3的通入流量为1~10 L/min；步骤5）中进行煅烧还原的过程为：从室温以1~3℃/min的速率升温至1000-1800℃后，恒温煅烧还原0.5-12h，随后自然降温至室温。
相对于现有技术，本发明取得的有益效果是：
1）本发明通过采用具有比表面积大、孔道结构的活性炭为载体，将TiN负载到活性炭表面或活性炭内部孔道结构中，利用了TiN电阻率仅为30μΩ·cm的超强导电性和良好的耐酸碱性，强化了三维粒子电极的电化学性能及化学稳定性，解决了传统粒子电极电阻较大、导电性能较差、寿命低的问题，便于提高电化学反应的反应效率，降低该工艺的运行成本。
2）本发明TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法简单易行，方便于大范围推广，本发明TiN/活性炭三维粒子电极的制备过程中，稳定剂的添加用以防止钛基化合物迅速水解。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1：
一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，包括以下步骤：
1）将活性炭粒子进行表面处理，过程如下：将粒径为3-5mm的活性炭粒子置于乙醇和丙酮混合液中超声震荡，其中乙醇和丙酮的体积比为25 : 1，震荡时间为60min，以去除活性炭粒子表面的有机物；随后，将洗涤处理后的活性炭粒子放入浓度为0.5mol/L的HNO3水溶液中煮沸处理5min，以去除其表面的氧化层；将经过酸处理后的活性炭粒子取出并用超纯水洗至中性，于80℃下烘干，即表面处理完成；
2）将145ml钛酸四丁酯滴加至840ml无水乙醇中，向该溶液中滴加3mL分析纯的冰醋酸，在快速搅拌下逐滴缓慢滴加15mL超纯水，得到透明稳定的凝胶溶液，即为浸渍液；
3）取步骤1）表面处理后的活性炭粒子20g放入到步骤2）所得浸渍液中，进行震荡浸渍3.5h后，滤去浸渍液，所得固体粒子在75℃下干燥5h；
4）步骤3）干燥后的固体粒子置于马弗炉中，在空气气氛下，从室温以5℃/min的速率升温至850℃后，恒温煅烧170min，随后自然降温至室温，即可得到TiO2/活性炭材料；
5）将步骤4）制备的TiO2/活性炭材料置于马弗炉中，在通入8L/min流量NH3气体的条件下，从室温以3℃/min的速率升温至1400℃后，恒温煅烧还原6h，随后自然降温至室温，即可得所述的TiN/活性炭三维粒子电极。
应用实施例1：
对实施例1制备的TiN/活性炭三维粒子电极、活性炭和市售粒子电极（市售粒子电极为活性成分TiO2负载量为0.1%的TiO2/Al2O3粒子电极），进行电解性能对比，操作过程如下：
1）将氯霉素溶于去离子水中，配制得到氯霉素模拟废水。调节该氯霉素模拟废水的pH为3，且该氯霉素模拟废水的初始COD浓度为950mg/L。
2）以铱钽/钛板、石墨板分别为阳极和阴极，按20g/L的粒子电极填充量将实施例1制备的TiN/活性炭三维粒子电极、活性炭或市售粒子电极投至三相反应器中，制得三相三维电极反应器。在电解前进行预吸附试验以排除吸附作用的影响，电解溶液为步骤1）配制的氯霉素模拟废水，电压为6V，电解质电导率为4500μS/cm，臭氧曝气量为1.5L/min条件下，对350mL体积的电解溶液进行通电电解180min后进行取样分析。分别以实施例1制备的TiN/活性炭三维粒子电极、活性炭或市售粒子电极作为粒子电极，电解实验180min后的对比结果如表1所示。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
由表1可以发现，在相同运行条件下，本发明制备的TiN/活性炭粒子电极的电解效果远高于活性炭，相比市售粒子电极，本发明催化剂对氯霉素模拟废水的COD去除率提升约20%，说明本发明制备的一种TiN/活性炭三维粒子电极性能极佳。
本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (9)

1.一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1）将活性炭粒子进行表面处理，即通过有机溶剂A对活性炭粒子进行洗涤以去除其表面的有机物后，再对活性炭粒子进行酸处理以去除其表面的氧化层，将经过酸处理后的活性炭粒子用超纯水洗涤至中性，烘干，即表面处理完成；
2）将钛基化合物加入无水乙醇中，然后加入稳定剂，在搅拌条件下逐滴缓慢滴加超纯水，搅拌均匀后得到透明稳定的凝胶溶液，即得浸渍液；
3）将步骤1）表面处理后的活性炭粒子加入到步骤2）所得浸渍液中，进行震荡浸渍0.5-24h，使钛基化合物负载到活性炭粒子上，然后滤去浸渍液，所得固体粒子进行干燥；
4）步骤3）干燥后的固体粒子置于马弗炉中，在空气气氛下进行高温煅烧，使负载在活性炭粒子上的钛基化合物转变为TiO2成分，制得TiO2/活性炭材料；
5）步骤4）所得TiO2/活性炭材料置于马弗炉中，在通入NH3气氛下进行煅烧还原，使TiO2/活性炭材料上的TiO2被还原成TiN成分，即制得所述的TiN/活性炭三维粒子电极。
2. 如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤1）中，有机溶剂A对活性炭粒子进行洗涤的具体步骤为：将活性炭粒子置于有机溶剂A中超声震荡5-300min，所述有机溶剂A为体积比1~30 : 1的乙醇和丙酮混合液。
3.如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤1）中，对活性炭粒子进行酸处理的具体步骤为：将活性炭粒子放入浓度为0.01-0.5mol/L的HNO3水溶液中煮沸处理2-10min，随后自然冷却至室温。
4.如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤2）中，钛基化合物为钛酸四丁酯，稳定剂为冰醋酸。
5.如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤2）中，所述钛基化合物中的活性成分Ti加入到无水乙醇中的浓度为1-100mg/L，稳定剂的体积用量为无水乙醇体积的0.5‰-8‰；所述超纯水的体积用量为无水乙醇体积的0.1%-5%。
6.如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤3）中，震荡浸渍的温度为10℃-80℃；干燥的温度为60-105℃，干燥的时间为0.5-12h。
7.如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤4）中，进行高温煅烧的过程为：从室温以2~5℃/min的速率升温至200-1100℃后，恒温煅烧0.5-12h，随后自然降温至室温。
8. 如权利要求1所述的一种TiN/活性炭三维粒子电极的制备方法，其特征在于步骤5）中，NH3的通入流量为1~10 L/min；步骤5）中进行煅烧还原的过程为：从室温以1~3℃/min的速率升温至1000-1800℃后，恒温煅烧还原0.5-12h，随后自然降温至室温。
9.一种如权利要求1~8任意一项所述的方法制备的TiN/活性炭三维粒子电极。
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