一种三氧化二铁电极材料的制备方法及其在电极、光电催化降解苯酚的装置和方法中的应用

本技术涉及一种三氧化二铁电极材料的制备方法及其在电极、光电催 化降解苯酚的装置和方法中的应用，属于水相有机污染物处理领域。

背景技术：

1、苯酚是一种高价值的重要工业原料，可以制取包括酚醛树脂、己内酰 胺、双酚a以及氯代酚等在内的多种化工产品或中间体，被广泛的用于化 工、医药、农药以及印染等多个行业。也常常会随着这些行业的生产活动， 经由废水排放在自然环境中，造成严重的水污染问题。苯酚会腐蚀皮肤、 粘膜，抑制中枢神经以及损害肝、肾等器官功能，对人体健康危害极大， 是世界卫生组织最新公布的第三类致癌物质。我国亦对其制定了严格的废 水排放标准，规定三级排放标准为不高于1.0mg/l，一级排放标准为不高 于0.3mg/l，而生活饮用水含量标准则必须低于0.002mg/l。因此，亟需 开发一种高效且安全的方法来针对苯酚造成的水污染问题进行治理。

2、光电催化技术(pec)是一种典型的高级氧化技术(aops)，其在电 极反应过程中会产生超氧自由基(·o2-)和羟基自由基(·oh)等具有极 强氧化性能的活性氧物种(ros)，其中·oh的氧化还原电位高达2.8v， 是自然界中除氟以外氧化能力最强的物质，可以无差别的将有机物矿化成 为co2和h2o等无害的小分子无机物，净化效果非常彻底。而pec体系 中的光照不仅可以通过光电极的光催化效应显著降低反应所需外加电压， 进而降低整个体系的能耗，又可以活化有机物分子，使其更容易参与反应。 此外，pec体系的外加电压又可以反过来增强由光催化过程所产生的光生 电荷的分离效率和迁移速度，进一步加速整个反应的进程。使得pec构成 一个非常高效的理论体系，在苯酚等有机水污染治理领域表现出极大的应 用前景。在一个pec体系中，光电极是最为核心的部分，而如果要实现在 苯酚等有机水污染治理领域的大规模商业应用，所选用的光电极除了要具 有高效和稳定的特性以外，构成光电极的材料还需要满足廉价、安全、无 毒以及对环境友好等条件。而三氧化二铁是一种非常廉价的常见金属氧化 物，在地壳中的储量非常丰富，并且无毒、安全，对环境亦十分友好，非 常适合作为苯酚等有机水污染光电催化治理的光电极组成材料，但是目前 尚未能获得比较理想的催化降解效果。例如，applied catalysis b: environmental，2017,204:127～133，the journal of physical chemistry c， 2018,122:297～306，electrochimica acta，2018,285:230～240等研究工作， 其所制备的三氧化二铁电极在光电催化降解20ppm以下浓度的苯酚时，都 需要耗时数个小时，而且对苯酚的矿化效率也很低。此外，在pec相关研 究中所采用的光电极主要以fto和金属片等平板状材料为基底，对于光 电催化体系的核心影响因素—采光条件和物质交换效率难以做到兼顾，从 而也进一步造成体系的催化降解效果不佳，而当前关注这些问题的研究报 道则非常少，能够提出有效解决办法的研究则更少。

技术实现思路

1、本发明的目的在于介绍一种金属网基三氧化二铁电极的制备过程及 其在光电催化降解苯酚中的应用。

2、本技术的一个方面，提供了一种三氧化二铁电极的制备方法，所述方 法包括：

3、(1)将金属网基底浸入含铁化合物溶液中，取出金属网基底，在220℃ ～250℃温度下干燥，原位热分解，获得表面附有含铁中间体层的金属网基 底；

4、(2)对步骤(1)获得的表面附有含铁中间体层的金属网基底，在 300～400℃温度下进行热处理，获得金属网基三氧化二铁电极。

5、可选地，可重复步骤(1)的1～20次，来实现对所制备金属网基三氧 化二铁电极表面三氧化二铁薄膜层厚度的控制。

6、可选地，所述金属网选自不锈钢网、钛网、镍网中的至少一种；

7、所述含铁化合物选自乙酰丙酮铁、硝酸铁、硝酸亚铁或乙酸亚铁中的 至少一种。

8、所采用的金属网以不锈钢网最佳，所采用的含铁化合物以乙酰丙酮铁 最佳。

9、可选地，所述热处理温度上限独立选自320℃、350℃、380℃、400℃； 下限独立选自300℃、320℃、350℃、380℃；

10、可选地，步骤(1)中，所述金属网基底在浸入含铁化合物的溶液前， 还包括清洗预处理的过程；

11、所述预处理过程包括：

12、将金属网基底依次经过丙酮、异丙醇、无水乙醇和去离子水超声清洗 25～45min后干燥。

13、可选地，所述清洗时间上限独立选自30min、35min、40min、45min； 下限独立选自25min、30min、35min、40min；

14、可选地，所述含铁化合物的溶液中还包括溶剂，所述溶剂选自乙醇、 水、丙酮、乙醇和水的混合物中的一种；所述乙醇和水混合溶液中，无水 乙醇和水的体积比可为任意比例。

15、可选地，所述含铁化合物的溶液中，含铁化合物的浓度为 0.01～0.1mol/l；

16、可选地，所述含铁化合物的浓度上限可独立选自0.03mol/l、0.05 mol/l、0.08mol/l、0.1mol/l；下限可独立选自0.01mol/l、0.03mol/l、 0.05mol/l、0.08mol/l。

17、可选地，步骤(1)中，所述干燥时间为5～10min。

18、可选地，所述烘烤时间上限可独立选自6min、7min、8min、9min、 10min；下限可独立选自5min、6min、7min、8min、9min。

19、可选地，步骤(2)中，所述热处理时间为2～12h。

20、可选地，所述热处理时上限可独立选自4h、6h、8h、10h、12h；下限 可独立选自2h、4h、6h、8h、10h。

21、作为其中一种具体的实施方式，所述三氧化二铁电极的制备方法包括：

22、先使乙酰丙酮铁溶液完全且均匀的浸润不锈钢网的表面和每一个网 孔，再通过红外灯烘烤将溶液蒸干并促使乙酰丙酮铁分解成含铁化合物中 间体附着在不锈钢网的每一根编织钢丝的表面，最后通过热处理过程将含 铁化合物中间体转化成三氧化二铁。

23、作为其中一种具体的实施方式，所述三氧化二铁电极的制备方法包括：

24、(1)将清洗干净的不锈钢网浸入乙酰丙酮铁溶液中，随后取出并清 除其表面多余的溶液，使乙酰丙酮铁溶液完全且均匀的浸润金属网的表面 和每一个网孔。

25、(2)对(1)浸润处理后的不锈钢网置于红外灯下烘烤5-10min，使 溶液完全蒸干并促使乙酰丙酮铁完全分解成含铁化合物中间体。

26、(3)可重复步骤(1)的数次，来实现对所制备金属网基三氧化二铁 电极表面三氧化二铁薄膜层厚度的控制。

27、(4)将经过(3)步骤之后的不锈钢网置于300～-400℃马弗炉内， 热处理2～12h。

28、本技术的又一个方面，提供了一种三氧化二铁电极，包括所述的方法 制备获得的电极材料；

29、所述电极材料包括导电基底和活性材料；

30、所述导电基底为金属网；

31、所述活性材料为三氧化二铁；

32、所述三氧化二铁微观形貌为表面带有纳米颗粒或褶皱的致密薄膜，所 述三氧化二铁在不锈钢网上的膜层厚度为纳米级。

33、可选地，所述电极根据所述方法制备获得。

34、可选地，所述金属网的目数≥100目；

35、可选地，所述金属网的目数的范围为100～400目。

36、可选地，所述金属网中，不锈钢网材质选自304、316、310、301中 的一种。

37、本技术的再一个方面，提供了一种光电催化水相苯酚的装置，所述装 置包括金属网基三氧化二铁电极，其中所述电极选自上述的三氧化二铁电 极。

38、可选地，所述装置还包括反应管道、电源、紫外灯管；

39、所述金属网基三氧化二铁电极为n个圆环形电极；

40、所述圆环形的电极的外径与反应管道的内径相等；

41、所述n个圆环型的电极的圆心部分，设有大小相同的同心圆孔；

42、所述反应管道内设有与反应管道同轴的n个圆环型的电极，所述n 个圆环型的电极呈等间距、排列状；

43、所述紫外灯管贯穿所有圆环型的电极的同心圆孔。

44、本技术的又一个方面，提供一种金属网基三氧化二铁电极在光电催化 降解苯酚中的应用，所述电极选自所述的方法制备的三氧化二铁电极或所 述的三氧化二铁电极。

45、根据本技术的另一个方面，提供了一种光电催化降解苯酚的方法，含 有苯酚的废水经过所述装置，电催化降解苯酚。

46、本技术所采用的装置，可同步改善光电催化水相苯酚乃至其他有机污 染物降解体系所存在的采光条件差和物质交换率低两大问题，光电催化降 解苯酚的性能远强于相同条件下的金属片基三氧化二铁电极和fto基三 氧化二铁电极。

47、申请能产生的有益效果包括：

48、本技术所述的电极制备方法条件温和，流程简便，可控性强，对原材 料利用率高；所制备的电极价格低廉，环保无毒，膜层均匀致密，单位面 积催化剂承载量高，且可同步改善光电催化水相苯酚降解体系所存在的采 光条件差和物质交换率低两大问题，可快速实现对水相中苯酚的光电催化 降解，具有很高的实际应用价值。本技术所获得的电极在紫外光的照射下 可快速实现对水相苯酚的光电催化完全降解，性能远强于相同条件下的金 属片基三氧化二铁电极和fto基三氧化二铁电极。