CN117602712B - 一种无电解质饮用水电催化净化中MXene基三维粒子电极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电催化净化的MXene基三维粒子电极，所述电极包括MXene复合材料以及负载于其上的活性组分。MXene复合材料是Ti3C2TX‑MXene基二维材料。活性组分由Fe掺杂改性MnO2而成，本申请进一步提供了电催化净化的MXene基三维粒子电极的制备方法以及该三维粒子电极在无电解质添加的饮用水电催化净化工艺中的应用。通过Fe2+或Fe3+的预插有效地增大了MnO2的晶格间距，从而降低了MXene包覆的Fe掺杂MnO2中与氨氮接触的阻碍，在水温低于5℃高于0.5℃时，循环处理氨氮50次，对氨氮的降解效果仅仅从100％降为99.2％，对CODMn的去除率也能稳定达到98％以上。
Description
技术领域
本发明属于水处理领域，具体涉及一种无电解质饮用水电催化净化中MXene基三维粒子电极的制备方法。
背景技术
对氨氮的净化处理，各类采用物理化学手段处理氨氮的技术已经研究颇多，但这些技术还存在着一定的局限性，如超滤工艺无法对氨氮进行去除，反渗透工艺制水成本较高，无法适应西北高寒地区本身可利用水资源不足的问题；传统生物法无法满足高寒地区冬季常年低温时的出水要求，无法解决当下水质中出现的氨氮含量超标的问题。
采用高级氧化法的处理氨氮新技术已经越来越受到关注，其中电催化氧化系统能在电场下通过直接或间接作用氧化降解污染物，既可以通过电场强化对污染物的去除效能，又不产生二次污染。三维电催化氧化系统在处理实际废水方面较二维系统具有更多的优势，因此被学者们广泛研究并应用。尤其在处理氨氮废水方面，三维电极更加经济高效。但电催化处理氨氮常用于废水处理中，在饮用水净化环节仍受到一定的限制，归因于在饮用水净化中投加电解质会对出水水质造成二次污染，因此如何在无电解质添加的条件下提升电流效率，是突破其瓶颈要解决的首要问题。提升粒子电极的导电性可以改善无电解质添加的电场中电流效率低的难题，有利于促进电催化氧化处理氨氮技术在饮用水中的应用前景，但关于如何优化无电解质添加的粒子电极的材料选择及制备，从而提高其电化学性能和催化性能等方面仍需进一步探索。
复合锰氧化物具有良好的吸附性和优异的氧化还原性，可以有效的吸附和降解水中的有机/无机污染物，近年来人们尝试将复合锰氧化物负载于各类载体材料上，进一步提升水中污染物的去除效果。2011年，二维层状过渡金属碳/氮化物(MXene)材料被首次提出，并在电化学能量转换和存储、场效应晶体管、膜分离、细胞成像/传感器、催化、电磁屏蔽、吸附和光热转换等领域都表现出优异的性能，引起了人们的极大关注。MXene材料因其高比表面积、暴露的活性位点以及离子的短平面传输路径等特点，可以与性能良好的金属氧化物掺杂制造高性能的电极材料，并且金属氧化物的掺杂也可以解决MXene单独作为电极时层间易堆叠使活性位点减少的难题。
在电化学领域，常对二维电极的阴阳极进行改性来提升电化学对水中污染物的去除效果，但将复合锰氧化物负载到MXene上作为三维粒子电极，进行三维电化学处理饮用水中污染物的研究尚未提及。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服电催化处理氨氮在饮用水净化环节中投加电解质会对出水水质造成二次污染的问题，以及提供一种新的将复合锰氧化物负载到MXene材料上作为三维粒子电极，进行三维电化学处理饮用水中污染物的方案。
为实现上述目的，本发明提供一种电催化净化的MXene基三维粒子电极，所述电极包括MXene复合材料以及负载于其上的活性组分。
进一步的，MXene复合材料是Ti3C2TX-MXene基二维材料。
进一步的，Ti3C2TX-MXene基二维材料表面呈褶皱层状。
进一步的，所述活性组分由Fe掺杂改性MnO2而成。和单一MnO2相比，经过Fe掺杂的MnO2引入了铁/锰氧化还原循环的协同作用，促进了锰氧化物的自催化性能，Mn在水溶液中以Mn(II)、Mn(III)和Mn(IV)等多价态形式存在，其中Mn(III)浓度最高。由此认为，对于MnO2表面的NH4 +转化，这归因于Mn在+2、+3和+4氧化态之间循环的能力在MnO2表面的NH4 +催化过程中起重要作用，即锰氧化物表面存在的Mn(III)、Mn(IV)能直接氧化氨氮为硝态氮，自身得电子被还原为Mn2+，Mn2+又可以在溶解氧的参与下通过自催化反应重新生成活性Mn(III)和Mn(IV)，如此循环往复，污染物不断得到去除，实现了锰氧化物的自催化性能，另外由于Fe2+和Fe3+在八面体位置上基本上是无序排列的，电子可在Fe的两种氧化态间迅速发生转移，即Fe掺杂使电子可在两种氧化态(Fe2+和Fe3+)间迅速发生转移，与Mn的氧化还原过程相耦合，两者协同作用进一步提升了总电化学反应中的电子转移途径与速率，从而促进了锰氧化物的自催化性能。另外，Fe的掺杂也有效增大了二氧化锰晶体的层间距，从而提高氨离子的嵌入/脱出速率。Fe的掺杂还能使MXene材料产生更多的缺陷结构，这些缺陷有利于增加NH4 +吸附位点，同时增加了复合材料的反应活性位点。
进一步的，由Fe掺杂改性MnO2所制得铁锰活性组分与表面呈褶皱层状Ti3C2TX-MXene相互嵌合，抑制了MXene层状结构的堆叠，形成了三维褶皱结构，这种结构增强了粒子电极的吸附位点，提供了更多的电子传输通道。这归因于铁锰活性组分是以晶体结构的形式均匀分散于MXene层状结构之间，这有利于电子和NH4 +的快速迁移和扩散，增强了粒子电极的吸附位点与动力学性能；MXene材料中缺陷的存在也可以更多的电子传输通道，从而进一步提高电化学反应活性。
本发明还提供一种制备如前所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极的方法，该方法依次包含以下步骤：
(1)将Ti3AlC2加入氟化锂溶液中搅拌均匀，随后与盐酸溶液混合，并在20～70℃水浴锅中加热18～28h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为6.5～7.5，将沉淀物干燥，即可得Ti3C2TX-MXene基二维材料，将其置于KMnO4溶液中浸渍18～24h备用；
(2)将四水合氯化亚铁和氯化锰混合溶液和步骤(1)中所述的备用溶液充分混合，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在150～200℃下反应12～24h，洗涤后在60～100℃下真空干燥，在200～500℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
进一步的，步骤(1)(2)中，四水合氯化亚铁溶液、氯化锰溶液与高锰酸钾溶液中各自物质的量应满足n(Fe2+)：n(MnO4 -)：n(Mn2+)＝1：(1～1.2)：(1～1.15)。
进一步的，步骤(1)中，氟化锂溶液浓度为1～3.5M，盐酸浓度为10～15M，Ti3AlC2与氟化锂的质量应满足m(Ti3AlC2)：m(LiF)＝1：(1～1.3)。
本发明还提供一种如前所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极在饮用水电催化净化中的应用。
进一步的，所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极在饮用水电催化净化中的应用中无电解质添加，电流效率高，能耗低，氨氮处理效果好。
无电解质添加的原因是此三维电极材料用于饮用水的处理，添加电解质会造成饮用水安全隐患，因此本发明尝试从材料角度出发，在不能添加电解质的水中提升三维电极的电化学性能。
添加所制电极之后电流效率高，能耗低，原因有三：其一，本发明所使用的MXene载体材料表面有羟基或末端氧，它们有着过渡金属碳化物的金属导电性，具有表面积大，导电性优良的特点，可以从载体层面提升粒子电极在水中的导电性能；其二：本发明所制备的锰氧化物本身就具有良好的电导性，并且其具有优异的氧化还原性能，在电场作用下，不同价态Mn的循环转化进一步促进了电子的转移速率；其三：Fe的掺杂与Mn的氧化还原性能相耦合，两者的协同作用会进一步对电子转移路径和速率做出贡献。
经过实验验证，本材料与二维电极、未经Fe和Mn改性的MXene前驱体作为粒子电极相比，在1mA/cm2的电流密度条件下，仍具备90％以上的污染物去除效果，可以证明其具有更低的能耗和更高的电流效率。
进一步的，三维电催化体系中，阳极板为MnO2金属氧化物涂层电极，阴极板为碳毡或泡沫镍电极。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明提供的一种Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极，通过耦合Fe掺杂MnO2复合材料优异的氧化还原性能和MXene复合材料优异性能，增大了片层MXene材料之间的褶皱性和不规则性，在粒子电极表面暴露更多的表面活性基团，这种形态结构增强了粒子电极的比表面积与污染物的接触面积，所得粒子电极导电性能优异、反应活性高、稳定性高。
2.本发明制备出了有良好层状结构的Ti3C2TX-MXene前驱体，然后利用KMnO4溶液浸渍，使MnO4 -和Ti3C2TX-MXene前驱体充分接触，有利于提升后续反应铁锰氧化物的嵌入强度及对氨氮的吸附能力，提升了催化剂活性位点和结构稳定性。
3.本发明将铁和锰氧化物相结合，通过Fe2+或Fe3+的预插有效地增大了MnO2的晶格间距，从而降低了MXene包覆的Fe掺杂MnO2中与氨氮接触的阻碍，铁的多价态离子转化和锰的多价态转化相互耦合，进一步提升电催化过程中对氨氮的降解性能。
4.本发明制备的铁锰氧化物的嵌入层可以改善电子和离子的电导率，防止MnO2在电催化过程中的溶解和脱落，这种独特的结构使Fe掺杂MnO2的MXene基复合材料成为电催化降解氨氮的高效处理粒子电极。
5.本发明采用的MXene材料的表面端基使粒子电极对污染物的吸附性增强，反应位点增多，且MXene复合材料给粒子电极提供了更广泛的电子传输通道，能增强三维电化学电流效率，电化学作用和铁锰氧化物优异的氧化还原作用相耦合，进一步提升三维电极对污染物的降解效率。
6.本发明将MXene材料与铁锰氧化物结合用于粒子电极的制备，在无电解质添加的条件下，提升了低氨氮浓度饮用水中电催化净化过程的电流效率，这在饮用水净化领域是一种新的挑战。
7.本发明所述的三维电极可用于去除高寒地区饮用水中的低浓度氨氮，在水温低于5℃高于0.5℃时，循环处理氨氮50次，对氨氮的降解效果仅仅从100％降为99.2％，对CODMn的去除率也能稳定达到98％以上，可证明在冬季长时间低温的环境下，该体系仍是一种循环效率高、能耗低、稳定性高及去除效率高的电催化降解污染物的净水工艺。
附图说明
图1为实施例1中所制粒子电极在不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除率。
图2为实施例2中所制粒子电极在不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除率。
图3为实施例3中所制粒子电极在不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除率。
图4为实施例4中Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除率。
图5为实施例5中Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除率。
图6为实施例6中Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除率。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明，本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
下面结合实施案例对本发明的技术方案做进一步的说明。
以下实施案例中所用盐酸浓度为65％。
以下实施案例中所用于粒子电极制备时，配置的四水合氯化亚铁溶液、硫酸锰溶液与高锰酸钾溶液应满足n(Fe2+)：n(MnO4 -)：n(Mn2+)＝1：(1～1.2)：(1～1.2)。
以下实施案例中所用进水氨氮浓度为9～10mg/L，CODMn浓度为10～12mg/L。
以下实施案例中所用电催化氧化装置为自制电解系统，石英电解槽规格为50mm×50mm×70mm，阳极板采用MnO2金属氧化物涂层电极，阴极板采用钛网，电极板面积均为50mm×50mm，极板间距为30mm，粒子电极填充在两极板之间，填充量为两极板之间容量的50％。
以下实施案例中所用电解槽置于呈有冰水混合物的容器中，模拟高寒地区冬季常年低温条件，电解过程中保持水温稳定低于5℃高于0.5℃。
以下实施案例中所用电源为UTP3000-II系列直流电源(最大输出电压为30V，最大输出电流为5A)。
实施例1
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备及对污染物的降解。
本实施例的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取15.38g质量浓度为65％的盐酸溶液于烧杯中，再加入84.62g水混合均匀，得到质量浓度为10％的盐酸溶液备用。
(2)称取1gTi3AlC2于10ml浓度为1mol/L的LiF溶液中，搅拌均匀后与50ml质量浓度为10％的盐酸溶液混合，在50℃水浴锅中加热18h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为7.0，将沉淀物干燥，即可得Ti3C2TX-MXene基二维材料，将其置于KMnO4溶液中浸渍20h备用；
(3)将25ml浓度为0.1mol/L的FeCl2·4H2O和25ml浓度为0.1mol/L的MnCl2和步骤(2)中备用溶液充分混合后，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在180℃下反应20h，用去离子水将产物离心洗涤至上清液pH为7.0，在80℃下真空干燥，在250℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
将填充的粒子电极换为步骤(2)中所述的没有经过铁锰改性的，即置于KMnO4溶液中浸渍前的步骤所制备的Ti3C2TX-MXene基二维材料前驱体，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
不添加粒子电极，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行二维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除效率如图1所示。
由图1可得，30min内，无电解质添加的二维电极体系中对氨氮及CODMn的去除效果微乎其微，电流效率低下；与Ti3C2TX-MXene基前驱体粒子电极相比，Fe@MnO2-MXene基粒子电极对氨氮和CODMn的降解效果明显提升，对氨氮和CODMn的去除率均能达到90％以上。一方面得益于Fe的多价态转化和Mn的多价态转化相互耦合，提升了电催化过程中对氨氮的降解性能，另一方面是归因于Fe的掺杂有效地增大了MnO2的晶格间距，增大了氨氮的接触位点，且实验过程中电流密度越大，氨氮和CODMn降解速率越快，这是因为电催化氧化氨氮主要以间接氧化为主，单位时间内电解所产生的·OH增多，间接氧化效率增高。
实施例2
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备及对污染物的降解
本实施例的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取18.46g质量浓度为65％的盐酸溶液于烧杯中，再加入81.54g水混合均匀，得到质量浓度为12％的盐酸溶液备用。
(2)称取0.5gTi3AlC2于10ml浓度为2mol/L的LiF溶液中，搅拌均匀后与50ml质量浓度为12％的盐酸溶液混合，在70℃水浴锅中加热18h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为7.0，将沉淀物干燥，即可得Ti3C2TX-MXene基二维材料，将其置于KMnO4溶液中浸渍24h备用；
(3)将25ml浓度为0.1mol/L的FeCl2·4H2O和25ml浓度为0.1mol/L的MnCl2和步骤(2)中备用溶液充分混合后，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在170℃下反应24h，用去离子水将产物离心洗涤至上清液pH为7.0，在70℃下真空干燥，在300℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
将填充的粒子电极换为步骤(2)中所述的没有经过铁锰改性的，即置于KMnO4溶液中浸渍前的步骤所制备的Ti3C2TX-MXene基二维材料前驱体，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
不添加粒子电极，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行二维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除效率如图2所示。
由图2可得，30min内，无电解质添加的二维电极体系中对氨氮及CODMn的去除效果微乎其微，电流效率低下；与Ti3C2TX-MXene基前驱体粒子电极相比，Fe@MnO2-MXene基粒子电极对氨氮和CODMn的降解效果明显提升，对氨氮和CODMn的去除率均能达到90％以上。
实施例3
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备及对污染物的降解
本实施例的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取23.08g质量浓度为65％的盐酸溶液于烧杯中，再加入76.92g水混合均匀，得到质量浓度为15％的盐酸溶液备用。
(2)称取0.75gTi3AlC2于10ml浓度为3mol/L的LiF溶液中，搅拌均匀后与50ml质量浓度为15％的盐酸溶液混合，在60℃水浴锅中加热20h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为7.0，将沉淀物干燥，即可得Ti3C2TX-MXene基二维材料，将其置于KMnO4溶液中浸渍18h备用；
(3)将25ml浓度为0.1mol/L的FeCl2·4H2O和25ml浓度为0.1mol/L的MnCl2和步骤(2)中备用溶液充分混合后，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在200℃下反应22h，用去离子水将产物离心洗涤至上清液pH为7.0，在90℃下真空干燥，在250℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
将填充的粒子电极换为步骤(2)中所述的没有经过铁锰改性的，即置于KMnO4溶液中浸渍前的步骤所制备的Ti3C2TX-MXene基二维材料前驱体，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。
不添加粒子电极，在电流密度分别为1mA/cm2、2mA/cm2、3mA/cm2、4mA/cm2、5mA/cm2的条件下进行二维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮及CODMn的浓度。不同电流密度下不同电催化体系对氨氮及CODMn的去除效率如图3所示。
由图3可得，30min内，无电解质添加的二维电极体系中对氨氮及CODMn的去除效果微乎其微，电流效率低下；与Ti3C2TX-MXene基前驱体粒子电极相比，Fe@MnO2-MXene基粒子电极对氨氮和CODMn的降解效果明显提升，对氨氮和CODMn的去除率均能达到90％以上。
实施例4
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备及电极循环实验。
本实施例的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取18.46g质量浓度为65％的盐酸溶液于烧杯中，再加入81.54g水混合均匀，得到质量浓度为12％的盐酸溶液备用。
(2)称取0.25gTi3AlC2于10ml浓度为2mol/L的LiF溶液中，搅拌均匀后与50ml稀释后的盐酸溶液混合，在60℃水浴锅中加热20h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为7.0，把沉淀物干燥后得到的Ti3C2TX-MXene基二维材料前驱体置于25mL浓度为0.08mol/L的KMnO4溶液中浸渍20h备用；
(3)将25ml浓度为0.08mol/L的FeCl2·4H2O和25ml浓度为0.08mol/L的MnCl2和步骤(2)中备用溶液充分混合后，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在200℃下反应24h，洗涤后在85℃下真空干燥，在350℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度分别为4mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮的浓度，随后将粒子电极置于鼓风干燥箱中30℃烘干，重复上述实验步骤50次，进行粒子电极循环性能测试实验，Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除效率如图4所示。
实施例5
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极循环实验。
本实施例采用的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极为实施例2制备所得。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度为4mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮的浓度，随后将粒子电极置于鼓风干燥箱中30℃烘干，重复上述实验步骤50次，进行粒子电极循环性能测试实验，Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除效率如图5所示。
实施例6
一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极循环实验。
本实施例采用的一种无电解质饮用水电催化净化工艺中MXene基三维粒子电极为实施例3制备所得。
将上述制备的粒子电极填充进电解槽中，水温3℃时通电，在电流密度为4mA/cm2的条件下进行三维电催化降解水中污染物实验，30min后测出氨氮的浓度，随后将粒子电极置于鼓风干燥箱中30℃烘干，重复上述实验步骤50次，进行粒子电极循环性能测试实验，Fe@MnO2-MXene基粒子电极循环使用50次对氨氮的去除效率如图6所示。
以上所述两种实施例仅仅是本发明的一些具体的实现方式。对于本领域的普通研究人员来说，在不脱离本发明的实现原理的条件下，对药品选择，浓度范围筛选，摩尔比例设置可做适当的调整及变形，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种电催化净化的MXene基三维粒子电极，其特征在于，所述电极包括MXene复合材料以及负载于其上的活性组分；
MXene复合材料是Ti3C2TX-MXene基二维材料；Ti3C2TX-MXene基二维材料表面呈褶皱层状；
所述活性组分由Fe掺杂改性MnO2而成；由Fe掺杂改性MnO2而成所制得铁锰活性组分与表面呈褶皱层状Ti3C2TX-MXene相互嵌合，形成三维褶皱结构；
所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极的制备方法，包含以下步骤：
（1）将Ti3AlC2加入氟化锂溶液中搅拌均匀，随后与盐酸溶液混合，并在20~70℃水浴锅中加热18~28 h，进行Al层的蚀刻，将反应液离心洗涤至上清液pH为6.5~7.5，把沉淀物干燥后得到的Ti3C2TX-MXene基二维材料在KMnO4溶液中浸渍18~24h备用；
（2）将四水合氯化亚铁和氯化锰混合溶液和步骤（1）中备用溶液充分混合，转移至高温高压反应釜中进行水热反应，在150~200℃下反应12~24 h，洗涤后在60~100℃下真空干燥，在200~500℃箱式炉中进行退火，得到Fe掺杂改性MnO2负载MXene复合材料粒子电极。
2.根据权利要求1所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极，其特征在于，步骤（1）（2）中，四水合氯化亚铁溶液、氯化锰溶液与高锰酸钾溶液中各自物质的量应满足n（Fe2+）：n（MnO4 -）：n（Mn2+）=1：（1~1.2）：（1~1.15）。
3.根据权利要求1所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极，其特征在于，步骤（1）中，氟化锂溶液浓度为1~3.5M，盐酸浓度为10~15M，Ti3AlC2与氟化锂的质量应满足m（Ti3AlC2）：m（LiF）=1：（1~1.3）。
4.权利要求1-3任一项所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极在饮用水电催化净化中的应用。
5.根据权利要求4所述的电催化净化的MXene基三维粒子电极在饮用水电催化净化中的应用，其特征在于，饮用水电催化净化工艺中无电解质添加。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Construction of hierarchical Ti3C2Tx@TiO2/MoS2 covered manganese oxides for advanced oxygen evolution electrocatalysis;Liu, X et al.;《JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE》;20210921;第56卷;第18174-18187页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117602712A (zh) | 2024-02-27 |
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