CN114229964A - 一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法及应用 - Google Patents

一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，该方法为：将亚氧化钛粉末烧结得到亚氧化钛电极，预处理后置于至磷酸和双氧水的混合液中刻蚀得到Ti4O7电极，再置于NaF溶液中，调pH至3.5，表面氟化，得到以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K‑Ti4O7电极。并将其应用于对氟苯尼考的降解。本发明亚氧化钛电极的改性提高了原始电极的析氧电位，改性亚氧化钛电极电活性区域增加，电极的电荷转移电阻减小，电极的·OH产量和产率明显提高，提高了电化学氧化能力。

Description

一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法及应用
技术领域
本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法及应用。
背景技术
亚氧化钛电极具有优异的电化学稳定性和耐酸碱腐蚀性能，原料成本便宜。做电化学阳极时，亚氧化钛阳极析氧电位高，被认为是最有希望的阳极材料。经过研究人员的研究发现，亚氧化钛电极可以高效快速地处理持久性有机化合物。
亚氧化钛中的Magnéli相Ti4O7具有无可比拟的导电性，对于难降解的全氟化合物也表现了很强的处理能力。然而，纯Ti4O7表现出相对较低的界面电荷转移速率，导致羟基自由基(·OH)产率不足。因此，有必要对纯Ti4O7电极进行改性，提高其氧化能力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法及应用，该亚氧化钛电极的改性提高原始电极的析氧电位，改性亚氧化钛电极电活性区域增加，电极的电荷转移电阻减小，电极的·OH产量和产率明显提高，提高了电化学氧化能力。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种以亚氧化钛材料为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，该方法为：
S1、亚氧化钛电极烧结：将亚氧化钛粉末放在石墨模具中，置于双电源真空等离子体烧结炉中，炉内抽真空，烧结压力为5MPa，煅烧制度为：先以114℃/min的升温速率将温度从室温升温至600℃；然后以50℃/min的升温速率将温度从600℃升温至1000℃；再以25℃/min的升温速率将温度从1000℃升温至1100℃；在温度为1100℃的条件下恒温保持38min后，自然冷却至室温，得到亚氧化钛电极；
S2、亚氧化钛电极预处理：将S1得到的亚氧化钛电极依次用200目、400目、800目的砂纸进行打磨，然后用乙醇清洗3次后，再用去离子水清洗3次，在温度120℃的条件下干燥后，得到预处理后的Ti4O7电极；
S3、亚氧化钛电极表面刻蚀：将S2中得到的预处理后的Ti4O7电极置于磷酸和双氧水的混合液中，在温度为80℃的水浴条件下，以转速为80rpm搅拌75min～90min后，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的条件下干燥后，得到K-Ti4O7电极；
S4、K-Ti4O7电极表面氟化：将S3中得到的K-Ti4O7电极置于浓度10mmol/L的NaF溶液中，调节溶液pH值调至3.5后，静置12h～14h，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的常压条件下干燥12h～14h，得到以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K-Ti4O7电极。
优选地，S1中所述亚氧化钛粉末的平均细度为28μm～29μm。
优选地，S1中所述亚氧化钛电极为直径为20mm，高度为2mm的圆柱体电极。
优选地，S2和S3中干燥的时间均为2h～3h。
优选地，S3中所述磷酸和双氧水的混合液中H3PO4的质量分数为85％、H2O2的质量分数为10％，余量为蒸馏水。
优选地，S4中用质量分数为97％的硫酸溶液调节pH值至3.5。
本发明还提供了上述制备的以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极的应用，用于对氟苯尼考的降解。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明通过对亚氧化钛电极的改性提高原始电极的析氧电位，改性亚氧化钛电极电活性区域增加，电极的电荷转移电阻减小，电极的·OH产量和产率明显提高，提高了电化学氧化能力。制备的以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K-Ti4O7对氟苯尼考的清除率可达95.7％～96.4％，对氟苯尼考的TOC的去除率达到76.1％～78.0％。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例1的S2步骤制备的预处理后的Ti4O7电极的扫描电镜图。
图2是本发明实施例1的S3步骤制备的K-Ti4O7电极的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1的S4步骤制备的F/K-Ti4O7电极的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的XRD图谱。
图5为本发明实施例1的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的循环伏安图谱。
图6为本发明实施例1的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的线性扫描伏安图谱。
图7为本发明实施例1的Ti4O7电极和K-Ti4O7电极的电化学阻抗图谱。
图8为本发明实施例1的Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极O1s的XPS图谱；
图9为本发明实施例1的Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的·OH产量(a)和产生速率(b)。
图10本发明实施例1的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极降解氟苯尼考的降解率图(左)和F/K-Ti4O7电极降解氟苯尼考TOC随浓度的变化图(右)。
具体实施方式
实施例1
本实施例以亚氧化钛材料为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，该方法为：
S1、亚氧化钛电极烧结：将平均细度为28μm亚氧化钛粉末放在石墨模具中，置于双电源真空等离子体烧结炉中，炉内抽真空，烧结压力为5MPa，煅烧制度为：先以114℃/min的升温速率将温度从室温升温至600℃；然后以50℃/min的升温速率将温度从600℃升温至1000℃；再以25℃/min的升温速率将温度从1000℃升温至1100℃；在温度为1100℃的条件下恒温保持38min后，自然冷却至室温，得到直径为20mm，高度为2mm的圆柱状亚氧化钛电极；
S2、亚氧化钛电极预处理：将S1得到的亚氧化钛电极依次用200目、400目、800目的砂纸进行打磨，然后用乙醇清洗3次后，再用去离子水清洗3次，在温度120℃的条件下干燥2h后，得到预处理后的Ti4O7电极；
S3、亚氧化钛电极表面刻蚀：将S2中得到预处理后的Ti4O7电极置于磷酸和双氧水的混合液中，在温度为80℃的水浴条件下，以转速为80rpm搅拌75min后，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的条件下干燥2h后，得到K-Ti4O7电极；所述磷酸和双氧水混合液中H3PO4的质量分数为85％、H2O2的质量分数为10％，余量为蒸馏水；
S4、K-Ti4O7电极表面氟化：将S3中得到的K-Ti4O7电极置于浓度10mmol/L的NaF溶液中，用质量分数为97％的硫酸溶液调节溶液pH值至3.5后，静置12h，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的常压条件下干燥12h，得到以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K-Ti4O7电极。
如图1所示，为化学刻蚀前S2中得到的预处理后的Ti4O7电极表面，可以看出在纳米范围内表面是光滑的，颗粒紧密结合在一起。图2显示经过化学刻蚀后S3中得到的K-Ti4O7电极表面出现“颗粒”间隙不一、局部数量不等的现象，是由于酸腐蚀之后，表面某些部分被刻蚀掉而造成。图3可以看到进一步的氟化处理后，F/K-Ti4O7电极晶体表面形貌和未氟化之前相差无几。
本实施例S2步骤制备的预处理后的Ti4O7电极、S3步骤制备的K-Ti4O7电极、S4步骤制备的F/K-Ti4O7电极的XRD图谱如图4所示，可以看到预处理后的Ti4O7电极观察到了Ti4O7的全部典型衍射峰。K-Ti4O7电极XRD图有一个Ti3O5衍射峰和TiO2衍射峰消失了，电极暴露出更多的Ti4O7晶相。F/K-Ti4O7电极的Ti4O7衍射峰和其他两种电极的衍射峰也没有太大区别，但是衍射峰的强度变低了。
本实施例得到的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的循环伏安图谱如图5所示，图5中划线为Ti4O7电极的循环伏安图，点线为K-Ti4O7电极的循环伏安图，实线为F/K-Ti4O7电极的循环伏安图，a、b、c为对应A、B、C所代表电极的还原峰线条。可以看到F/K-Ti4O7电极的电活性区域均大于Ti4O7电极和K-Ti4O7电极，表明了F/K-Ti4O7电极表面显著的提高了更多的活性位点。
本实施例得到的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的线性扫描伏安图谱如图6所示。可以看到Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的析氧电位分别为2.01V、2.29V、2.17V，F/K-Ti4O7电极的析氧电位高于未刻蚀和氟化的电极。这表明F/K-Ti4O7电极具有更高的电催化氧化性能。
本实施例得到的Ti4O7电极和K-Ti4O7电极的电化学阻抗图谱如图7所示。Ti4O7电极的Rct为14.11欧，而K-Ti4O7电极Rct下降到1.33欧，由此可知，K-Ti4O7电极低的Rct致Ti4O7晶体表面暴露出更多的活性位点，从而促进电极表面/电解质界面的电荷转移。
本实施例得到的Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极O1s的XPS图谱如图8所示。a为羟基的衍射峰，可以看到F/K-Ti4O7电极上的晶格氧(c)变少，形成了更多氧空位(b)。本实施例得到的Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极的·OH产量和产生速率如图9所示。左图为Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极上的·OH产量随时间的变化，右图为Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极上的·OH产生速率随时间的变化。·OH捕获使用水杨酸(SA)做捕获剂，·OH的浓度等于·OH与SA反应生成的2,3-二羟基苯甲酸(2,3-DHBA)和2,5-二羟基苯甲酸(2,5-DHBA)的浓度之和。30min时，F/K-Ti4O7电极上·OH产量是Ti4O7电极·OH产量的3.2倍，F/K-Ti4O7电极的·OH产生速率相较于Ti4O7电极提高了39％～218％。电极产·OH捕获实验条件：量取55mL去离子水，然后加入0.7812g Na2SO4电解质和0.0760gSA，混合之后倒入电解池。分别以Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极作为阳极，相同尺寸的已经过预处理的纯钛板作为阴极，阴阳极板间距1cm。采用两电极系统恒电流15mA/cm2、磁力搅拌速率750r/min、水浴温度30℃下氧化30min。
本实施例还提供了上述制备的以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极的应用，用于对氟苯尼考的降解。
本实验制备的电极用于对氟苯尼考的氧化情况如图10所示，左图为Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极对氟苯尼考的降解率，右图为氧化能力更优秀的F/K-Ti4O7电极降解氟苯尼考TOC浓度随时间的变化。Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极在30min内对氟苯尼考的降解率分别为81.9％、91.9％、95.7％。可见，F/K-Ti4O7电极对氟苯尼考的降解优于另外两种电极。此外使用F/K-Ti4O7电极降解氟苯尼考TOC的去除率为76.1％。这正是由于F/K-Ti4O7电极的低电荷转移电阻和多的活性位点导致，有利于高效快速矿化氟苯尼考。实验条件：量取55mL 25mg/L的氟苯尼考水溶液，然后加入0.7812g Na2SO4电解质，混合之后倒入电解池。分别以Ti4O7电极、K-Ti4O7电极、F/K-Ti4O7电极作为阳极，相同尺寸的已经过预处理的纯钛板作为阴极，阴阳极板间距1cm。采用两电极系统恒电流15mA/cm2、磁力搅拌速率750r/min、水浴温度30℃下氧化30min。TOC实验氧化时间为2h，其余条件相同。
实施例2
本实施例的以亚氧化钛材料为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，该方法为：
S1、亚氧化钛电极烧结：将平均细度为29μm亚氧化钛粉末放在石墨模具中，置于双电源真空等离子体烧结炉中，炉内抽真空，烧结压力为5MPa。煅烧制度为：先以114℃/min的升温速率将温度从室温升温至600℃；然后以50℃/min的升温速率将温度从600℃升温至1000℃；再以25℃/min的升温速率将温度从1000℃升温至1100℃；在温度为1100℃的条件下恒温保持38min后，自然冷却至室温，得到直径为20mm，高度为2mm的圆柱状的亚氧化钛电极；
S2、亚氧化钛电极预处理：将S1得到的亚氧化钛电极依次用200目、400目、800目的砂纸进行打磨，然后用乙醇清洗3次后，再用去离子水清洗3次，在温度120℃的条件下干燥3h后，得到预处理后的Ti4O7电极；
S3、亚氧化钛电极表面刻蚀：将S2中得到的预处理后的Ti4O7电极置于磷酸和双氧水的混合液中，在温度为80℃的水浴条件下，以转速为80rpm搅拌90min后，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的条件下干燥3h后，得到K-Ti4O7电极；所述磷酸和双氧水的混合液中H3PO4的质量分数为85％、H2O2的质量分数为10％，余量为蒸馏水；
S4、K-Ti4O7电极表面氟化：将S3中得到的K-Ti4O7电极置于浓度10mmol/L的NaF溶液中，用质量分数为97％的硫酸溶液调节溶液pH值至3.5后，静置14h，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的常压条件下干燥14h，得到以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K-Ti4O7电极。
本实施例还提供了上述制备的以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极的应用，用于对氟苯尼考的降解。
本实验制备的Ti4O7电极、K-Ti4O7电极和F/K-Ti4O7电极分别在30min内对氟苯尼考的降解率为81.9％、91.9％、96.4％。可见，F/K-Ti4O7电极对氟苯尼考的降解优于另外两种电极。此外使用F/K-Ti4O7电极降解氟苯尼考TOC的去除率为78.0％。这正是由于F/K-Ti4O7电极的低电荷转移电阻和多的活性位点导致，有利于高效快速矿化氟苯尼考。
实验条件：量取55mL的25mg/L的氟苯尼考水溶液，然后加入0.7812g的Na2SO4电解质，混合之后倒入电解池。分别以Ti4O7电极、K-Ti4O7电极、F/K-Ti4O7电极作为阳极，相同尺寸的已经预处理过的纯钛板作为阴极，阴阳极板间距1cm。采用两电极系统恒电流15mA/cm2、磁力搅拌速率750r/min、水浴温度30℃下氧化30min。TOC实验氧化时间为2h，其余条件相同。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，该方法为：
S1、亚氧化钛电极烧结：将亚氧化钛粉末放在石墨模具中，置于双电源真空等离子体烧结炉中，炉内抽真空，烧结压力为5MPa，煅烧制度为：先以114℃/min的升温速率将温度从室温升温至600℃；然后以50℃/min的升温速率将温度从600℃升温至1000℃；再以25℃/min的升温速率将温度从1000℃升温至1100℃；在温度为1100℃的条件下恒温保持38min后，自然冷却至室温，得到亚氧化钛电极；
S2、亚氧化钛电极预处理：将S1得到的亚氧化钛电极依次用200目、400目、800目的砂纸进行打磨，然后用乙醇清洗3次后，再用去离子水清洗3次，在温度120℃的条件下干燥后，得到预处理后的Ti4O7电极；
S3、亚氧化钛电极表面刻蚀：将S2中得到的预处理后的Ti4O7电极置于磷酸和双氧水的混合液中，在温度为80℃的水浴条件下，以转速为80rpm搅拌75min～90min后，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的条件下干燥后，得到K-Ti4O7电极；
S4、K-Ti4O7电极表面氟化：将S3中得到的K-Ti4O7电极置于浓度10mmol/L的NaF溶液中，调节溶液pH值调至3.5后，静置12h～14h，取出电极用去离子水冲洗，在温度为120℃的常压条件下干燥12h～14h，得到以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极F/K-Ti4O7电极。
2.根据权利要求1所述的一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，S1中所述亚氧化钛粉末的平均细度为28μm～29μm。
3.根据权利要求1所述的一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，S1中所述亚氧化钛电极为直径为20mm，高度为2mm的圆柱体电极。
4.根据权利要求1所述的一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，S2和S3中干燥的时间均为2h～3h。
5.根据权利要求1所述的一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，S3中所述磷酸和双氧水的混合液中H3PO4的质量分数为85％、H2O2的质量分数为10％，余量为蒸馏水。
6.根据权利要求1所述的一种以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极制备方法，其特征在于，S4中用质量分数为97％的硫酸溶液调节pH值至3.5。
7.一种如权利要求1-6任一权利要求制备的以Ti4O7为基底的表面刻蚀和氟化的阳极的应用，其特征在于，用于对氟苯尼考的降解。
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