CN113955751A

CN113955751A - 自支撑多孔树枝状石墨泡沫、制备方法及应用

Info

Publication number: CN113955751A
Application number: CN202111319913.6A
Authority: CN
Inventors: 罗现福; 廖婉佑; 石超; 罗意; 周玉山; 邓平飞; 余伟
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2021-11-09
Filing date: 2021-11-09
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2041-11-09
Also published as: CN113955751B

Abstract

本发明公开了一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，首先在泡沫镍上通过电化学沉积法生长出Ni‑Cu合金树枝状分支，再于氢气和乙烯中通过化学气相沉积在所述金属半成品上生长出石墨，得到石墨金属泡沫；最后将所述石墨金属泡沫浸泡通过化学刻蚀去除金属骨架，得到仅含石墨的自支撑的多孔树枝状泡沫。采用本发明的显著效果是，可作为介电泳电极去除水中细菌，去除细菌的时间较短，效率高、能耗低，使用寿命长、成本低，安全无毒，适合实际生产。

Description

自支撑多孔树枝状石墨泡沫、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及介电泳用的电极，具体涉及一种具有尖端电荷聚集效应的电极以及制备方法。

背景技术

目前对水中的细菌进行清除的方法有膜过滤、超声波消杀、紫外线杀菌等；这一般都需要大型的基础设施建设和净水设备投入，且能耗较高；不适合偏远及欠发达的地区。当然，在自来水中加入含氯的漂白粉是现阶段更为常用的杀菌手段，但在我国村镇供应的自来水中，原水中的细菌含量普遍很高，这就面临漂白粉加入量过大造成的氯含量高、气味大、易致癌的问题；而低漂白粉加入量杀菌效果不足的问题。

介电泳，也称双向电泳，是介电常数较低的物体在非均匀电场中受力的现象。介电力大小与物体是否带电无关，而与物体的大小、电学性质、周围介质的电学性质以及外加电场的场强、场强变化率、频率有关。

在前期研究中，有人提出基于介电泳原理捕捉血液中细菌的方法，这为采用介电泳去除水中细菌提供了参考，但在对大量水进行处理时，需要更一步考虑电极材料、能耗、时间、以及除菌效率等问题；当然，电极导电性能、耐久性等问题也应该一并考虑在内。

发明内容

有鉴于此，首先本发明提供了一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，按以下步骤进行：

步骤一、将片状的泡沫镍清洗备用；

步骤二、配制Ni²⁺和Cu²⁺混合电解液，将泡沫镍置于所述混合电解液中，通过电化学沉积法，在泡沫镍的三维多孔骨架上，生长出Ni-Cu合金树枝状分支，得金属半成品；

步骤三、将所述金属半成品置于流动的氢气和乙烯中，于500-800℃条件下保温5-30h，通过化学气相沉积在所述金属半成品上生长出石墨，得到石墨金属泡沫；

步骤四、将所述石墨金属泡沫浸泡在含有FeCl₃和HCl的混合溶液中保持8-20h，化学刻蚀掉金属骨架，得到仅含石墨的自支撑的多孔树枝状石墨泡沫。

本发明其次提供一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫，由以上方法制备得到。

最后，本发明还提供了自支撑多孔树枝状石墨泡沫在水处理除菌过程中作为电极的应用。

附图说明

图1为实施例2中退火后的金属半成品的扫描电镜图；

图2为在石墨泡沫②上随机选取的一处扫描电镜图；

图3为在石墨泡沫②上随机选取的一处透射电镜图；

图4为在石墨泡沫②上随机选取的一处进行测试的XPS能谱图；

图5为实施例3中试验方盒的结构示意图；

图6为实施例4中镍电极和石墨电极除菌效率与使用次数的关系图；

图7a为未施加变化的非均匀电场前细菌的位置和分布图；

图7b为刚开始施加变化的非均匀电场时细菌的位置和分布图；

图7c为施加变化的非均匀电场2min后细菌的位置和分布图；

图7d为停止施加变化的非均匀电场后细菌的位置和分布图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，按以下步骤进行：

步骤一、将泡沫镍基材用双辊压机压制成厚度为100μm的薄片，得到片状的泡沫镍，然后用丙酮、硫酸和去离子水依次清洗泡以去除其表面的氧化层备用，所述泡沫镍基材的孔径为250μm，厚度为1mm；

步骤二、将硫酸铜、氯化镍和硼酸混合形成电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为0.0001M，氯化镍的浓度为0.1M，硼酸的浓度为0.1M；

将泡沫镍置于所述电解液中，再通过电化学沉积法，在泡沫镍的三维多孔骨架上，生长出Ni-Cu合金树枝状分支，得金属半成品；

电化学沉积法参数以及条件：以Ag/AgCl为参比电极，以镍箔为对电极，电压为-0.6V；

步骤三、用去离子水和乙醇分别冲洗所述金属半成品，然后将其置于真空干燥器中干燥过夜；

步骤四、将干燥后的金属半成品置于管式炉中进行退火，所述退火过程为：将所述金属半成品于700℃保温5分钟，然后随炉降温冷却，最后取出；退火期间保持向炉内通入流速为0.1sccm的氢气，以及流速为0.1sccm的氮气；

步骤五、将退火后的金属半成品再次置于管式炉中，并在流速为0.1sccm的氢气气氛中，于500℃下保温15分钟，去除表面的氧化物；

步骤六、将去除表面的氧化物的所述金属半成品置于流速为0.1sccm的氢气、以及流速为0.1sccm的乙烯组成的混合气体气氛下，并于500℃条件下保温5h，通过化学气相沉积在所述金属半成品上生长出石墨，最后随炉降温，得到石墨金属泡沫；

步骤七、将所述石墨金属泡沫浸泡在含有FeCl₃和HCl的混合溶液中保持8h，化学刻蚀掉金属骨架，得到仅含石墨的自支撑的多孔树枝状石墨泡沫①；

所述混合溶液中，FeCl₃浓度为1M，HCl的浓度为2M。

实施例2：

步骤一、将泡沫镍基材用双辊压机压制成厚度为300μm的薄片，得到片状的泡沫镍，然后用丙酮、硫酸和去离子水依次清洗泡以去除其表面的氧化层备用，所述泡沫镍基材的孔径为250μm，厚度为3mm，长度为50mm，宽度为40mm；

步骤二、将硫酸铜、氯化镍和硼酸混合形成电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为0.01M，氯化镍的浓度为1M，硼酸的浓度为1M；

电化学沉积法参数以及条件：以Ag/AgCl为参比电极，以镍箔为对电极，电压为-2.5V；

步骤四、将干燥后的金属半成品置于管式炉中进行退火，所述退火过程为：将所述金属半成品于1500℃保温5分钟，然后随炉降温冷却，最后取出；退火期间保持向炉内通入流速为20sccm的氢气，以及流速为100sccm的氮气；

退火后的金属半成品的扫描电镜图如图1所示，可以看出，在泡沫镍上生长有若干树枝状结构的分支，泡沫镍及树枝状结构的分支上形成若干微孔；

步骤五、将退火后的金属半成品再次置于管式炉中，并在流速为50sccm的氢气气氛中，于1000℃下保温60分钟，去除表面的氧化物；

步骤六、将去除表面的氧化物的所述金属半成品置于流速为50sccm的氢气、以及流速为50sccm的乙烯组成的混合气体气氛下，并于800℃条件下保温30h，通过化学气相沉积在所述金属半成品上生长出石墨，最后随炉降温，得到石墨金属泡沫；

步骤七、将所述石墨金属泡沫浸泡在含有FeCl₃和HCl的混合溶液中保持20h，化学刻蚀掉金属骨架，得到仅含石墨的自支撑的多孔树枝状石墨泡沫②；

所述混合溶液中，FeCl₃浓度为1M，HCl的浓度为2M。

自支撑的多孔树枝状石墨泡沫②的扫描电镜图如图2所示，透射电镜图如图3所示，X射线光电子能谱如图4所示，可以看出，基于退火后的金属半成品生长的多孔树枝状石墨泡沫②上具有若干树枝状结构的分支，其长径比以及比表面积都较高，有利于吸附，其分支的长短、方向各异，其作为电极时有利于产生非均匀的电场，分支尖端电荷聚集可提高电压而增强电场强度，细菌在变化的非均匀交流电场作用下，向电极移动并最终吸附在其微孔内，从而实现分离和捕获细菌。

实施例3：

在试验方盒内布置16片相互平行的电极，每个电极的边缘通过铜箔接线，接线方式为交流/接地/交流/接地……，依次类推，如图5所示；电极采用实施例2制得的自支撑的多孔树枝状石墨泡沫②，在方盒内注入原水，原水中含有初始浓度为10⁶CFU/mL(菌落/毫升)的大肠杆菌，原水体积100mL；

分别设置多组除菌实验，实验后取样测定大肠杆菌的终止浓度，并计算除菌效率，除菌效率＝(初始浓度-终止浓度)/初始浓度*100％，各组的除菌效率见下表：

	电压	频率	持续时间	除菌效率
					1	0.5V	1×10Hz	20min	92.910％
2	4V	1×10Hz	20min	99.487％
					3	8V	1Hz	20min	70.452％
4	8V	1×10Hz	20min	99.999％
					5	8V	1×10Hz	1min	55.137％
6	8V	1×10Hz	5min	98.043％
					7	8V	1×10Hz	20min	99.999％

从上表可以看出，通过电压为8V、频率为1×10⁵Hz或1×10⁷Hz、持续时间为20min的交流电除菌，原水中的大肠杆菌几乎完全被去除，除菌效果优异。

经计算，在第7组除菌实验中，方盒内电极除菌时所需要的能耗(功率)为441J/L，其远低于现目前主流的污水处理方法所需要的能耗。

实施例4:

在实施例2中，经步骤四退火得到的金属半成品也可以作为水中除菌时的电极，其除菌效果和除菌效率与多孔树枝状石墨泡沫②非常接近，二者没有明显不同。当考虑到金属电极可能腐蚀产生铜、镍离子而缩短电极寿命以及污染水质，多孔树枝状石墨泡沫②在耐久性和安全性方面具有更为显著的优势。试验验证如下：

分别选用实施例2中退火后的金属半成品作为电极(镍电极)，以及选用多孔树枝状石墨泡沫②作为电极(石墨电极)，均采用实施例3中的第7组除菌实验对应的参数进行重复试验，以研究两种电极在多次使用后的除菌效率变化情况，绘制除菌效率与除菌次数之间的曲线图，结果如图6所示。

从图6可以看出，随除菌次数的增加，采用石墨电极的除菌实验的除菌效率基本保持不变处，在处理原水50次后，其除菌效率仍大于99.995％，表明具有树枝状尖端的石墨泡沫电极的耐久性很好。而镍电极在同样的条件下，使用50次后的效率为98.126％，说明镍电极随除菌次数的增加会逐渐被电解，其耐久性不如石墨电极。

实施例5：

以金箔为电极，进行细菌在介电场效应作用下移动状态的测试，结果如图7a、7b、7c、7d所示，其展示了水中的细菌在施加变化的非均匀电场前中后的位置；可以看出，在施加变化的非均匀电场一定时间后，细菌向电极两侧移动并聚集，而未施加变化的非均匀电场时(包括施加电场前以及停止施加电场后)，细菌在两电极之间随机杂乱分布。

本发明的有益效果：通过电化学沉积法在泡沫镍上制备出Ni-Cu合金树枝状分支，将其作为石墨生长的基板的同时，催化氢气和乙烯进行化学气相沉积，最后通过刻蚀，得到仅含有石墨的自支撑多孔树枝状泡沫。可作为介电泳电极去除水中细菌，去除细菌的时间较短，效率高、能耗低，使用寿命长、成本低，安全无毒，适合实际生产。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于按以下步骤进行：

步骤一、将片状的泡沫镍清洗备用；

步骤四、将所述石墨金属泡沫浸泡在含有FeCl3和HCl的混合溶液中保持8-20h，化学刻蚀掉金属骨架，得到仅含石墨的自支撑的多孔树枝状石墨泡沫。

2.根据权利要求1所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于：在所述步骤二中，将硫酸铜、氯化镍和硼酸混合形成所述混合电解液，所述混合电解液中硫酸铜的浓度为0.0001-0.01M，氯化镍的浓度为0.1-1M，硼酸的浓度为0.1-1M。

3.根据权利要求1所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤二完成后，先将所述金属半成品进行清洗、干燥，再将其置于管式炉中进行退火；最后再在流速为0.1-50sccm的氢气气氛中，于500-1000℃下保温15-60分钟，去除表面的氧化物，再进行步骤三。

4.根据权利要求3所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于所述退火过程为：将所述金属半成品于700-1500℃保温5分钟，然后随炉降温冷却，最后取出；

退火期间保持向炉内通入流速为0.1-20sccm的氢气，以及流速为0.1-100sccm的氮气。

5.根据权利要求3所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤三中，将所述金属半成品置于流速为0.1-50sccm的氢气、以及流速为0.1-50sccm的乙烯组成的混合气体气氛下，进行化学气相沉积生长出石墨，最后随炉降温。

6.根据权利要求1所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤四的混合溶液中，FeCl3浓度为1M，HCl的浓度为2M。

7.根据权利要求1所述的自支撑多孔树枝状石墨泡沫的制备方法，其特征在于：所述步骤一中，片状的泡沫镍由泡沫镍基材压制得到；

将泡沫镍基材用双辊压机压制成厚度为100-300μm的薄片，得到片状的泡沫镍，然后用丙酮、硫酸和去离子水依次清洗以去除其表面的氧化层，所述泡沫镍基材的孔径为250μm，厚度为1-3mm。

8.一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫，其特征在于：由权利要求1-7任一项所述方法制备得到。

9.一种自支撑多孔树枝状石墨泡沫在水处理除菌过程中的应用，其特征在于自支撑多孔树枝状石墨泡沫作为电极。