CN117209017A - 一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备及应用。它将铁化合物与亚氧化钛机械处理后制成铁掺杂亚氧化钛电极，为阳极，以天然海水为电解质合成消毒液，并与光伏技术耦合，成功构建了以太阳能驱动的电解装置，合成活性成份为次氯酸的消毒液，灭杀压载水中致病菌。本电极由非贵金属元素组成，价格远低于由贵金属钌和铱组成的商业尺寸稳定阳极，并表现出显著高于商业尺寸稳定阳极反应活性，同时解决了海水中高丰度氯离子难以高选择性氧化至次氯酸的难题。其化学性质稳定，对环境友好，不会造成二次污染，可以不依赖远洋航行中的电力资源，由太阳能驱动电化学合成消毒液，实现对船舶压载水的消毒杀菌，非常值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备方法，同时也涉及将该铁掺杂亚氧化钛电极进行海水电解，以合成消毒液的应用方法。
背景技术
压载水是远洋航行过程中保障船舶安全平稳运行的必须组成部分。远洋船舶运行中，其装载的压载水中含有大量的、来源于沿途海域中的各种微生物和病毒，有可能导致沿途水域、或目的地水域带来严重的生物入侵，危害海洋生态与人类健康。
现有船舶的压载水管理系统主要由抽水、过滤和消毒三个单元组成。其中，过滤单元可以去除相对体积较大的生物体，但是对于体积较小的细菌和病毒等尚无能为力。消毒单元可以采用紫外光照射设备，能去除大部分体积较小的有害细菌和病毒，但是由于紫外光本身性能的缘故，使用场景存在较多限制，耗能较高。因此，消毒单元还可以利用活性氯消毒液，其具有强氧化性、价格低廉、杀菌能力强等优点，是一种可行的压舱水处理试剂。
实际上，目前消毒单元采用的活性氯消毒液，具体使用的活性氯试剂为次氯酸溶液。但是，如果利用它作为消毒技术，次氯酸溶液需要预先储存，其自身的体积较大、易分解、不易携带，这些缺陷使得次氯酸溶液消毒单元无法应用于远洋航行中。
在现有的远洋航行技术中，采用的是利用原位制备活性氯溶液的消毒技术，其相比一次性的存储次氯酸溶液更具有实际可操作性。原位制备次氯酸消毒液的技术，依赖于电化学的析氯反应，通过电解含有氯离子的溶液制备获得氯气，氯气进一步水解后得到次氯酸溶液作为消毒液。在远洋航行时，含有大量氯离子的海水是天然适用于消毒液生产的电解质原料。
电化学析氯反应技术的核心关键是析氯电极，直接决定整个消毒单元的工作效率。市面上常用的析氯电极为基于贵金属钌和铱的尺寸稳定阳极。这种尺寸稳定阳极可以在氯碱工业中表现优异的析氯性能，但是由于其原料为贵金属资源限制，尺寸稳定阳极往往价格昂贵。
另一方面，由于电化学析氧反应的电位竞争的物化原理，尺寸稳定阳极作为析氯电极使用的场景也有限制，只有在高浓度NaCl(氯离子浓度>1mol/L)、低pH值(pH值<3)的情景下才能表现出较高的析氯反应选择性，在氯碱工业中使用时预先设计原料物料的浓度和反应条件。
遗憾的是，广阔无边的大洋中的海水，其氯离子浓度远低于在氯碱工业中使用的电解质浓度。另一方面，空旷水域中的海水一般可以认为其pH值是中性，基于贵金属钌和铱的尺寸稳定阳极极其受限于竞争性的析氧反应。直接利用海水作为原料物料，上述尺寸稳定阳极通常表现出较低的析氯反应选择性。
因此，现有技术中的贵金属尺寸稳定阳极难以应用于远洋海运船舶的压舱水消毒处理体系。开发出可在海水中高效稳定且廉价的析氯电极，仍然是本领域技术人员研究的热门课题之一。
发明内容
为解决远洋海运船舶的压载水消毒处理的难题，本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备方法。
本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种铁掺杂亚氧化钛电极。
本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种将该铁掺杂亚氧化钛电极进行海水电解，合成消毒液的应用方法。
为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：取1份重量的亚氧化钛粉末，加入0.1-5份重量的七水合硫酸亚铁放入球磨罐，在球磨罐内加入石英珠，密封后，球磨2小时以上；
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次以上去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末；
步骤3：将Nafion(全氟磺酸型聚合物)试剂与异丙醇配置成含有3％Nafion试剂的异丙醇溶液作为粉末分散剂；
步骤4：取0.01g的步骤2所制备的铁掺杂亚氧化钛粉末，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后即为铁掺杂亚氧化钛电极。
优选地，在步骤1中，0.5-5份重量的七水合硫酸亚铁可替换为或者0.36-3.6份重量的硫酸铁；或者0.29-4.25份重量的三氯化铁；或者0.23-2.275份重量的氯化亚铁。
优选地，步骤1：取1份重量的亚氧化钛粉末，加入为0.015-1份重量的氧化铁放入球磨罐，在球磨罐内加入石英珠，密封后，球磨2小时以上；
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，以足量的稀盐酸洗去超量未反应的氧化铁，然后水洗去除未参与的反应的离子得到铁掺杂亚氧化钛粉末；
步骤3：将Nafion试剂与异丙醇配置成含有3％Nafion试剂的异丙醇溶液作为粉末分散剂；
步骤4：取0.01g的步骤2所制备的铁掺杂亚氧化钛粉末，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后即为铁掺杂亚氧化钛电极。
优选地，所述的亚氧化钛粉末为纯净的七氧化四钛，或者为含有不超过10％质量份数的五氧化三钛的七氧化四钛粉末。
优选地，所述球磨、机械搅拌的时间为2～24小时。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种铁掺杂亚氧化钛电极，由上述制备方法制备得到。
根据本发明实施例的第三方面，提供一种铁掺杂亚氧化钛电极的应用方法，包括如下步骤：
将制备的铁掺杂亚氧化钛电极作为阳极，取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解，产生析氯反应，以制备活性氯气。
优选地，所述应用方法使用的电解装置包括外接电源；其阳极为铁掺杂亚氧化钛粉末在碳纸载体所制备的阳极，以泡沫镍做阴极；反应容器内的密封垫在阳极和阴极之间，海水(或压舱水)通过蠕动泵从阴极侧流入反应容器内，在反应器中短暂停留后，通过阳极侧重新流回海水(或压舱水)中。
优选地，使用300mL压舱水，以30mL/min的速度抽取经过电解装置，反应5分钟后，压舱水中的活性氯(以氯气计)浓度达到100mg/L以上。
优选地，在晴朗无云、阳光直射的中午时间，以8.5cm×5.6cm的太阳能电池板为电源，电源的电压/电流的参数为：5V/160mA；将300mL海水利用蠕动泵以30mL/min的速度抽取，经过电解装置，反应5分钟后，检测电解液中细菌Log(灭菌率)为7。
本发明的技术原理如下：
海水中含有大量Cl-，Cl-在合适的电化学阳极上可以失去电子形成Cl2，因此可以通过电解海水的方式生成Cl2。Cl2可进一步的水解形成HOCl和OCl-，三者都具有很强的消毒杀菌的活性，适用于压舱水处理。
然而，由于电化学析氧反应的竞争激烈，目前商业使用的贵金属尺寸稳定阳极在电解海水过程中往往析氯反应选择性较低(约为50％)，造成了大量电能浪费，基本无法要将其用于电解海水制备消毒液的反应中。
本发明提供的铁掺杂亚氧化钛电极有着极高的稳定性和高析氧反应电位，同时其原料的价格低廉。在该铁掺杂亚氧化钛电极的基础上，本发明制备的海水析氯系统，电解海水中能高效地合成次氯酸，其析氯反应选择性可达到75％，显著强于现有的商业化的贵金属尺寸稳定阳极。并且，该铁掺杂亚氧化钛电极成本极低，成本约为每平米数百元，远低于商业贵金属尺寸稳定阳极的成本(每平米上万元)，商业应用前景广阔。
利用该铁掺杂亚氧化钛电极，由太阳能电池板供电，设计一套电化学反应系统，能够高效的完成压舱水消毒杀菌的要求，整体具有非常好的应用前景。
本发明制备铁掺杂亚氧化钛电极的方法为机械力化学制备法，十分容易扩大生产，规模化供应。
铁掺杂亚氧化钛电极完全由廉价金属组成，原料成本低廉，且析氯反应活性和选择性显著强于尺寸稳定阳极。基于该铁掺杂亚氧化钛电极设计的太阳能驱动电化学析氯，合成消毒液的新方法可以在在不依赖船舶电力资源的情况下，现场大量制备次氯酸溶液，用于灭活有害细菌和病毒，对压舱水进行消毒。该方法性能稳定，效果优异，可以用于实际压舱水管理，避免可能的生物入侵。
次氯酸消毒液的原料为天然海水，可以直接利用远洋航行过程中压舱水自身作为系统的一部分。对于现有的远洋航行中压载水的消毒单元改造时，基本不需要额外提供消耗性原料。利用太阳能驱动，无需耗费船舶上的电力资源。
附图说明
图1为实施例1制得的铁掺杂亚氧化钛电极的X射线衍射图谱；
图2为实施例1制得的铁掺杂亚氧化钛电极的高分辨透射电镜-元素分布图谱；
图3为实施例2制得的铁掺杂亚氧化钛电极与亚氧化钛在海水中的析氯曲线对比；
图4为实施例3中，太阳能驱动的电解海水原位制备消毒液的电化学装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
实施例1
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入1g七水合硫酸亚铁，放入球磨罐，在球磨罐内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。
以500转/分钟的速度，球磨4小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
如图1和图2所示，所得的到铁掺杂亚氧化钛粉末的X射线衍射图谱和高分辨透射电镜-元素分布图谱。如图所示，粉末中的铁元素为均匀的分散于亚氧化钛中。此时，球磨完成的所得的粉末为400目左右的无定形颗粒，铁元素以三价铁的形态取代部分钛原子进入亚氧化钛晶体，铁元素在成品铁掺杂亚氧化钛粉粉末中的质量占比约为1％。
亚氧化钛粉末的粒径≤1.0μm。
实施例2
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入2.5g七水合硫酸亚铁，放入球磨罐，在球磨罐内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。
以500转/分钟的速度，球磨4小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
步骤3：使用外购的Nafion试剂与异丙醇配置为3％ Nafion的异丙醇溶液作为粉末分散剂。
分别取未掺杂的普通亚氧化钛粉末0.01g和铁掺杂亚氧化钛粉末0.01g，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后作为阳极。以上方法制备所得的两种电极的质量相等，厚度一致约为1mm。
取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水组成析氯电解装置，扫描析氯极化曲线，测试电极析氯性能，如图3所示：铁掺杂亚氧化钛粉末所制备的阳极在电解反应中，析氯性能明显强于未掺杂的普通亚氧化钛所制备的电极。
实施例3
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入2.5g七水合硫酸亚铁，放入球磨罐，在球磨罐内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。
以500转/分钟的速度，球磨4小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。如此制备的铁掺杂亚氧化钛粉末中铁元素质量含量为2％。
使用外购的Nafion试剂与异丙醇配置为3％ Nafion的异丙醇溶液作为粉末分散剂。
分别取未掺杂的普通亚氧化钛粉末0.01g和铁掺杂亚氧化钛粉末0.01g，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后作为阳极。以上方法制备所得的两种电极的质量相等，厚度一致，约为1mm。
取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解实验。
取同样大小的贵金属钌和铱制备的尺寸稳定阳极同样为2cm×2cm，厚度1mm，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解实验。
在相同条件下，上述三种阳极进行对照实验：
电解十分钟后，采用碘量法测试生成的活性氯含量(以氯气计)，计算活性氯生成速度与选择性，结果下表1：三种不同阳极分别进行析氯反应所示，铁掺杂亚氧化钛电极析氯性能明显强于未掺杂的普通亚氧化钛电极或尺寸稳定阳极。
表1三种不同阳极分别进行析氯反应
反应十分钟后检测活性氯浓度(以氯气计)，分别计算三种电极的法拉第效率，结果如下表2：三种不同阳极的法拉第效率，表明：铁掺杂亚氧化钛电极析氯性能明显强于未掺杂的普通亚氧化钛电极或尺寸稳定阳极。
表2三种不同阳极的法拉第效率
| 亚氧化钛 | 铁掺杂亚氧化钛 | 尺寸稳定阳极 | |
| 法拉第效率 | 3％ | 75％ | 45％ |
实施例4
样品1
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入2.5g七水合硫酸亚铁，放入球磨罐1中，在球磨罐1内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。以500转/分钟的速度，球磨5小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次以上去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
步骤3：制备的铁掺杂亚氧化钛粉末中铁元素质量含量2.01％，标记为样品1。
样品2
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入0.06g氧化铁，放入球磨罐2，在球磨罐2内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。以600转/分钟的速度，球磨6小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，以足量的稀盐酸洗去超量未反应的氧化铁，然后水洗去除未参与的反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
步骤3：制备的铁掺杂亚氧化钛粉末中铁元素质量含量为2.09％，标记为样品2。
样品3
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入1.72g无水硫酸铁，放入球磨罐3，在球磨罐3内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。以500转/分钟的速度，球磨4小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次以上去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
步骤3:制备的铁掺杂亚氧化钛粉末中铁元素质量含量2.12％，标记为样品3。
以上的3个样品，分别制备得成品后，采用以下的步骤：
步骤4：使用外购的Nafion试剂与异丙醇配置为含有3％Nafion的异丙醇溶液作为粉末的分散剂。
步骤5：分别称取0.01g的上述3种样品和未掺杂的亚氧化钛粉末(作对照组)，分别加1mL的步骤4所制备的分散剂，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀。将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后作为阳极。
以该方法制备所得的四种电极的质量相等，厚度一致，约为1mm。
取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解实验。
在相同条件下，上述四种阳极进行对照实验：
电解10分钟后，采用碘量法测试生成的活性氯含量(以氯气计)，计算活性氯生成速度与选择性，结果下表3：四种不同阳极分别进行析氯反应所示。三种不同铁元素来源的铁掺杂亚氧化钛电极(样品1/2/3)的活性氯生产性能都强于未掺杂的亚氧化钛(对照组)。其中以七水合硫酸亚铁末的样品1相对来的活性氯生产性能更好。
表3四种不同阳极分别进行析氯反应
实施例5
步骤1：称取4g亚氧化钛粉末，加入5g七水合硫酸亚铁，放入球磨罐，在球磨罐内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。
以500转/分钟的速度，球磨4小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次去掉未反应的离子，烘干，得到铁掺杂亚氧化钛粉末。
步骤3：使用外购的Nafion试剂与异丙醇配置为3％Nafion的异丙醇溶液作为粉末的分散剂。
步骤4：将0.05g步骤2所制备的铁掺杂亚氧化钛粉末通过超声仪或者震荡仪使粉末在5mL的分散剂中分散均匀。将分散均匀的混合液喷涂(或滴涂、涂敷)至4cm×4cm的碳纸载体上。将滴涂完成的电极自然风干，作为阳极。
所制备的阳极需涂敷均匀，表面完全覆盖铁掺杂亚氧化钛的粉末。选取同样大小的4cm×4cm泡沫镍作为阴极，组成如图4的电解装置。如此方案制备的电极厚度为1mm。
本发明实施例以铁掺杂亚氧化钛为阳极，太阳光为能量来源，太阳能电池板为电力来源，天然海水为电解液，合成次氯酸消毒液，进而用于压载水消毒杀菌。该技术同时可与光伏技术耦合，在无需依赖船舶电力资源额外供电的情况下合成次氯酸消毒液，高效处理船舶压载水中的致病细菌与病毒，性能稳定，效果优异。
如图4所示，本发明实施例中使用的电解装置包括外部的外接电源、内部包括铁掺杂亚氧化钛粉末在碳纸载体所制备的阳极、泡沫镍的阴极。密封垫在阳极和阴极之间，还配合有阴极阳极夹紧装置。在此电解装置中，海水(或压舱水)通过蠕动泵从阴极侧流入反应容器内，在反应器中短暂停留后，通过阳极侧重新流回压舱水中。可通过调节压舱水流速，从而控制压舱水停留时间，进而实现对压舱水中活性氯浓度的控制。
本实施例中，对于总量300mL压舱水(普通海水、或者模拟海水)，以30mL/min的速度抽取压舱水经过该电解装置，反应5分钟后，压舱水中的活性氯(以氯气计)浓度达到100mg/L，远高于国家压舱水管理要求(10mg/L活性氯)。
分别采用1g的亚氧化钛粉末，分别配0.5g、1g七水合硫酸亚铁，以上述方式制备铁掺杂亚氧化钛粉末，并进一步制备得到阳极放入上述电解装置中。对于总量300mL压舱水(普通海水、或模拟海水)，以30mL/min的速度抽取压舱水(普通海水、或模拟海水)经过电解装置，反应5分钟后，压舱水中的活性氯(以氯气计)浓度达到13mg/L和105mg/L。
由此可见，所制备的活性氯(氯气计)的含量，已经超过国家规范要求，足以解决现有技术中，压舱水总体量大、无法直接进行电解析氯，以及直接电解静止状态的海水时出现的海水温度上升、含氯离子量降低等不良情况。
在晴朗无云，阳光直射的中午时间，以8.5cm×5.6cm的太阳能电池板为电源，此时电源的电压/电流的参数为：5V/160mA。将300mL分别含有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和溶藻弧菌(原始浓度：1.2×107CFU/mL)的三种模拟海水作为电解液，蠕动泵以30mL/min的速度抽取模拟海水经过电解装置，反应5分钟后，检测电解液中细菌含量。
同时使用300mL含有大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和溶藻弧菌的0.5mol/L硫酸钠溶液进行对照实验，结果如下表4：太阳能驱动析氯灭菌所示，以海水为电解液的细菌均被灭活，而对照组无细菌灭活性能。
表4太阳能驱动析氯灭菌
实施例6：
步骤1：称取2g亚氧化钛粉末，加入3g氯化亚铁，放入球磨罐中，在球磨罐内加入20颗5mm直径和40颗直径2mm的石英珠，密封后放入球磨机。以500转/分钟的速度，球磨6小时。
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次以上去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末记作样品4。
以上步骤中，保持2g亚氧化钛粉末量不变，分别加入4.8g七水合硫酸亚铁、1.78g硫酸铁、6.2g硫酸铁、1.44g三氯化铁、2.8g三氯化铁、1.13氯化亚铁。
以上步骤中，保持2g亚氧化钛粉末量不变，分别加入0.03g氧化铁、2g氧化铁，不同之处在于，步骤2中采用稀盐酸清洗至清除未反应的物料。
步骤3：使用外购的Nafion试剂与异丙醇配置为含有3％的Nafion的异丙醇溶液作为粉末分散剂。
步骤4：分别称取0.01g的以上各种样品，分别加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂(或滴涂、涂敷)至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后作为阳极。以上方法制备所得的各种电极的质量大致相等，厚度一致，约为1mm。
取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解实验。
在相同条件下，上述各种阳极进行对照实验：
电解十分钟后，采用碘量法测试生成的活性氯含量(以氯气计)，计算活性氯生成速度与选择性，结果下表5：不同铁源的阳极分别进行析氯反应所示。
表5不同铁源的阳极分别进行析氯反应
需要说明的是，在本发明的一个实施例中，使用的亚氧化钛粉末为纯净的七氧化四钛粉末。该纯净试剂为定制产品，价格较为昂贵。现有的市场中，工业化商品的亚氧化钛粉末，其主体为七氧化四钛粉末，一般含有3～10％质量份数的五氧化三钛，其他的杂质可以忽略不计。经过反复试验验证确定，采用含10％以下五氧化三钛的七氧化四钛粉末，最终制备的阳极，其析氯反应，以及产氯的效率，和纯净的七氧化四钛基本没有变化。
在本发明的一个实施例中，采用氧化铁作为铁源制备阳极材料时，经过反复试验确定只需要0.03g氧化铁配2g亚氧化钛粉末即可产效果，且经过验证，稀盐酸清洗时，仅仅将未反应的过量物料清理，不影响后续的阳极产品的制备，以及析氯反应的效果。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：取1份重量的亚氧化钛粉末，加入0.1-5份重量的七水合硫酸亚铁放入球磨罐，在球磨罐内加入石英珠，密封后，球磨2小时以上；
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，水洗五次以上去掉未反应的离子，烘干后，得到铁掺杂亚氧化钛粉末；
步骤3：将Nafion试剂与异丙醇配置成含有3％Nafion试剂的异丙醇溶液作为粉末分散剂；
步骤4：取0.01g的步骤2所制备的铁掺杂亚氧化钛粉末，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂或滴涂、涂敷至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后即为铁掺杂亚氧化钛电极。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：
在步骤1中，0.5-5份重量的七水合硫酸亚铁可替换为或者0.36-3.6份重量的硫酸铁；或者0.29-4.25份重量的三氯化铁；或者0.23-2.275份重量的氯化亚铁。
3.一种铁掺杂亚氧化钛电极的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：取1份重量的亚氧化钛粉末，加入为0.015-1份重量的氧化铁放入球磨罐，在球磨罐内加入石英珠，密封后，球磨2小时以上；
步骤2：待球磨结束后，取出粉末，以足量的稀盐酸洗去超量未反应的氧化铁，然后水洗去除未参与的反应的离子得到铁掺杂亚氧化钛粉末；
步骤3：将Nafion试剂与异丙醇配置成含有3％Nafion试剂的异丙醇溶液作为粉末分散剂；
步骤4：取0.01g的步骤2所制备的铁掺杂亚氧化钛粉末，加至1mL分散剂中，使用超声仪或者震荡仪使粉末在分散剂中分散均匀，将分散均匀的混合溶液喷涂或滴涂、涂敷至2cm×2cm的碳纸载体上，自然风干后即为铁掺杂亚氧化钛电极。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的制备方法，其特征在于：
所述亚氧化钛粉末为纯净的七氧化四钛，或者为含有不超过10％质量份数的五氧化三钛的七氧化四钛粉末。
5.如权利要求1～3中任意一项所述的制备方法，其特征在于：
所述球磨、机械搅拌的时间为2～24小时。
6.一种铁掺杂亚氧化钛电极，其特征在于由权利要求1～5中任意一项所述制备方法制备得到。
7.一种铁掺杂亚氧化钛电极的应用方法，其特征在于：
将权利要求6所述的铁掺杂亚氧化钛电极作为阳极，取铂电极作为阴极，饱和甘汞电极作为参比电极，取普通海水进行电解，产生析氯反应，以制备活性氯气。
8.如权利要求7所述的铁掺杂亚氧化钛电极的应用方法，其特征在于：
所述应用方法使用的电解装置包括外接电源；其阳极为铁掺杂亚氧化钛粉末在碳纸载体所制备的阳极，以泡沫镍做阴极；反应容器内的密封垫在阳极和阴极之间，海水或压舱水通过蠕动泵从阴极侧流入反应容器内，在反应器中短暂停留后，通过阳极侧重新流回海水或压舱水中。
9.如权利要求8所述的铁掺杂亚氧化钛电极的应用方法，其特征在于：
将300mL压舱水，以30mL/min的速度抽取经过所述电解装置，反应5分钟后，压舱水中的活性氯的浓度达到100mg/L以上。
10.如权利要求8所述的铁掺杂亚氧化钛电极的应用方法，其特征在于：
在晴朗无云，阳光直射的中午时间，以8.5cm×5.6cm的太阳能电池板为电源，电源的电压/电流的参数为：5V/160mA；将300mL海水利用蠕动泵以30mL/min的速度抽取，经过所述电解装置，反应5分钟后，检测电解液中细菌灭菌率为7。
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