海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應用
【專利摘要】本發明屬于水處理新材料技術領域，具體涉及一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，該制備方法依次包括以下步驟：步驟一、聚苯乙烯（PS）硬模板自組裝；步驟二、配制前驅體溶液及浸泡填充；步驟三、模板的去除；同時，本發明將該材料作為陰極應用在可見光?電芬頓體系中催化氧化有機污染物中；本發明制備方法操作簡單、成本低，制備得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等優點，本發明制備方法得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物在可見光?電芬頓中不僅能高效的降解有機污染物，還能夠在降解過程中充分利用可見光，有效降低能耗和處理成本。
【專利說明】
海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應用
技術領域
[0001]本發明屬于水處理新材料技術領域，具體涉及一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵的制備方法及其應用。
【背景技術】
[0002]近年來，全社會對水污染的問題十分關注，污水的處理方法得到了相應的發展。
[0003]與此同時，海綿狀多層大孔(SMM)材料因其具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等特點引起了人們極大關注。20世紀90年代末，Imhof和Vevel等分別用微乳法和膠晶模板法成功地制備出海綿狀多層大孔材料;在此之后，各個國家的研究小組均用膠晶模板法制備了大量的海綿狀多層大孔材料。Zakhidov和Baughman采用化學氣相沉積法，在氧化硅模板中填入碳后用氫氟酸溶解去除氧化硅，得到了海綿狀多層大孔碳。Stein等合成出了氧化鈦，氧化鋯，氧化鋁，磷酸鹽，鹵化物一系列大孔材料。Pine采用了有序堆積的微乳液滴來合成大孔的陶瓷和塑料。已報道制成的SMM材料包括各種聚合物、雜化的有機硅酸鹽陶瓷材料、無機半導體材料、金屬氧化物、硫化物、金屬、合金和單質的非金屬以及不同成分的復合物等。
[0004]然而，傳統方法制得的大孔材料孔徑分布較寬，孔道分布不規則，因此在諸多方面的應用具有一定的局限性。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法及其應用，從而制備孔材料強度高、三維周期性優良且催化性能優異的SMM- Fe2O3電極材料，同時，本發明將該材料作為陰極應用在可見光-電芬頓體系中催化氧化有機污染物。
[0006]為了達到上述目的，本發明的技術方案為:
海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，該制備方法依次包括以下步驟:
步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝:
取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙稀微球乳液滴于2?4 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，用稀鹽酸和氨水調節酸堿度到I，得到PS微球乳液，之后將親水處理過的碳板保持豎直的緩慢置于PS微球乳液中，在45?65 °C的烘箱中恒溫干燥，直至溶液完全揮發，得到PS自組裝碳板；
步驟二、配制前驅體溶液及浸泡填充:
配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3.9H20的乙醇溶液作為前驅體溶液;將步驟一中PS自組裝碳板懸空浸泡在驅體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面干燥；
步驟二、模板的去除:
將步驟二中制得的材料放置于馬弗爐中，以5°C/min升溫至300 °C，煅燒2?2.5 h，在此期間PS硬模板被去除，Fe(NO3)3被高溫分解生產Fe2O3,即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。
[0007]步驟一中的親水處理過程如下:
碳板在體積比為氨水:30%H2 02:去離子水=1:1: 5的混合溶液中加熱煮沸15min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干。
[0008]步驟一中所述的超聲處理六次，一次15 min，每次中途換水。
[0009]一種根據上述制備方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在可見光-電芬頓中的應用。
[0010]本發明的有益效果:
1.本發明制備的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極材料作為異相芬頓催化電極，它們整齊有序的大孔結構為改善物質傳輸和減小傳質阻力提供了良好的通道;而且，本申請制備的多層大孔結構能通過多重散射和慢光子效應提高光的吸收效率，提高的光催化能力還可以進一步加速Fe(III)/Fe(II)的循環從而提高Fe2O3的可見光-電芬頓的催化活性；
2.本發明制備方法操作簡單、成本低。制備得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物具有均一、有序的大孔孔道、較高的孔體積等優點；
3.本發明制備方法得到的海綿狀多層大孔鐵氧化物在可見光-電芬頓中不僅能高效的降解有機污染物，還能夠在降解過程中充分利用可見光，有效降低能耗和處理成本。
【附圖說明】
[0011 ]圖1分別是SMM-Fe203/C、Fe203/C、C電極的XRD圖；
圖2 是PS/C和SMM-Fe203/C的SHM照片。
【具體實施方式】
[0012]下面結合具體實施例對本發明進行進一步的說明:
實施例1:
一種海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，包括以下步驟:
步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝:
取0.5 mL單分散聚苯乙稀微球乳液滴于3 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，將親水處理過的碳板浸漬到配置好的單分散聚苯乙烯微球乳液中，再將其置入65°C烘箱中靜置2.5h，待溶劑揮發完全后得到自組裝過PS的碳板；
上述親水處理的目的是為了在重力沉降過程中，聚苯乙烯微球乳液中的PS更加均勻有序的自組裝在基底上，處理過程如下，在氨水:30%H202:去離子水=1:1:5(體積比)的混合溶液中加熱煮沸15 min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干；
上述對聚苯乙烯乳液進行超聲處理的目的是為了減少自組裝過程中出現的團聚現象，超聲處理且超聲15 min—次，一共六次，中途換水，防止溫度對PS的影響；
如圖2B所示，直徑502 nm的PS微球均勻有序的分布在基底碳板上，而圖2A更顯示出PS在碳板上大面積均勻分布；
步驟二、配制前驅體溶液:
稱取2.02 g Fe(NO3)3-9H20，讓無水乙醇溶解Fe(N03)3.9H20，定容5mL，將自組裝過PS的碳板懸空浸泡在驅體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面揮發干燥，一般靜置時間4 h，靜置時間短會造成前驅液填充的不完全，靜置時間過長則會使煅燒后的Fe2O3強度變小；
如圖1所示，所制備的樣品分別在24.1。、33.1。、35.7。、40.9。、49.5。、54.0。、62.4°、64.0 °測得典型衍射特征峰，與Fe2O3的典型衍射峰一致，且這些峰(012、104、110、113、024、116、214、300)與純晶體Fe2O3是一樣的，可以得出結論，所制的樣品為晶體Fe2O3。
[0013]步驟三、SMM- Fe2O3的沉積及模板的去除: 將步驟二中制得的碳板放置于馬弗爐中，以5°(:/1^11升溫300°(:，煅燒2.5 h，之后以同速降溫，在此期間PS模板被去除，Fe(NO3)3被高溫分解生產Fe203。在此步驟后，即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。
[0014]圖2C和圖2D是具有大孔結構Fe2O3的SEM照片；其中，圖2C是大孔結構分布的平面圖，圖2 D是大孔結構的剖面圖，更能顯示所制備材料的立體結構;從圖2C和圖2D可以看出，大孔在納米級別上均勻分布，并且在在垂直上有排序。
[0015]本實施例為本發明的最優實施例。
[0016]實施例2:
與實施例1不同的是，在本實施例步驟一聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝中，取0.6 mL聚苯乙烯微球乳液滴于3 mL蒸餾水中；步驟三SMM- Fe2O3的沉積及模板的去除中，將步驟二中制得的碳板放置于馬弗爐中，5°C/min升溫至300 °C，煅燒2 h，之后以同速降溫，得到陰極電極。
[0017]實施例3:
與實施例1不同的是，本實施例步驟一聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝中，將親水處理過的碳板浸漬到配置好的單分散聚苯乙烯微球乳液中，再將其置入45°c烘箱中靜置3 h，待溶劑揮發完全后得到自組裝過PS的碳板。
[0018]下面介紹本發明方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在光-電芬頓中的應用:
將自制的SMM-Fe203/C和傳統的Fe203/C分別作為陰極應用到可見光-電芬頓體系中，對比兩種電極對亞甲基藍模擬廢水(50 mg/L)的降解能力。實驗證明，SMM-Fe203/C電極的降解效率顯著高于Fe203/C電極，在60 min時，其降解率達到95%是Fe203/C電極的0.75倍。這不僅是由于SMM-Fe203/C電極中高度有序的大孔結構有更高的光捕獲效率和光催化能力，而且大孔結構表面原位產生的H2O2作為電子受體，進而促進電子-空穴的分離效率，提高降解過程中的催化降解效率。
[0019]本發明的內容不限于實施例所列舉，本領域普通技術人員通過閱讀本發明說明書而對本發明技術方案采取的任何等效的變換，均為本發明的權利要求所涵蓋。
【主權項】
1.海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 該制備方法依次包括以下步驟: 步驟一、聚苯乙烯(PS)硬模板自組裝: 取0.30 ~ 0.60 mL聚苯乙稀微球乳液滴于2 ~ 4 mL蒸饋水中，超聲處理90 min后，用稀鹽酸和氨水調節酸堿度到I，得到PS微球乳液，之后將親水處理過的碳板保持豎直的緩慢置于PS微球乳液中，在45?65 °C的烘箱中恒溫干燥，直至溶液完全揮發，得到PS自組裝碳板； 步驟二、配制前驅體溶液及浸泡填充: 配制1.0 mol/L的Fe(NO3)3.9H20的乙醇溶液作為前驅體溶液;將步驟一中PS自組裝碳板懸空浸泡在驅體溶液中0.5 h后取出碳板，靜置于室溫下直至表面干燥； 步驟二、模板的去除: 將步驟二中制得的材料放置于馬弗爐中，以5°C/min升溫至300 °C，煅燒2?2.5 h，在此期間PS硬模板被去除，Fe(NO3)3被高溫分解生產Fe2O3,即可得到海綿狀多層大孔鐵氧化物電極。2.根據權利要求1所述的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 步驟一中的親水處理過程如下: 碳板在體積比為氨水:30%H2 0 2:去離子水=1:1: 5的混合溶液中加熱煮沸15min，之后超聲清洗5 min，最后在烘箱中烘干。3.根據權利要求1或2所述的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極的制備方法，其特征在于: 步驟一中所述的超聲處理六次，一次15 min，每次中途換水。4.一種根據上述制備方法制得的海綿狀多層大孔三氧化二鐵電極在可見光-電芬頓中的應用。
【文檔編號】C02F1/30GK106044957SQ201610408593
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月13日
【發明人】王宇晶, 任珍, 王雪, 士麗敏
【申請人】西安工業大學