一种微球型亚氧化钛电极的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微球型亚氧化钛(Ti4O7)电极的制备方法，属于化学材料技术领域。
背景技术
Ti4O7是一类性能优良的电化学的阳极材料，它有着特殊的八面体结构，使得它有着比BDD电极高的析氧电位，有着比石墨碳更高的导电性，近年来对它的研究越来越广泛。多孔Ti4O7作为阳极对染料废水进行降解实验，多孔结构使它的反应面积增大2至3个数量级，并且在不添加任何化学物质的情况下，可以获得较好的去除率。常见的Ti4O7分为普通板式和电催化膜电极两种，其中，普通板式即是将Ti4O7作为催化层利用粘结剂的方式负载在钛板上，或者先在钛板表面制备一层TiO2纳米管阵列，随后在H2氛围下进行还原。板式电极虽然在制备过程上存在着便利，但对传质效率的提升以及活性位点的增强上缺乏强有力的促进作用，因此对污染物的降解效果有限。电催化膜电极则是将Ti4O7材料制备成多孔结构，使其整体作为电极，无催化层和基体之分，这样的好处是保证了电极整体的稳定性和导电性，同时可利用多孔结构带来的定向流动和微观结构提升传质效率和活性位点。但由于要保证有效的传质效率提升效果，因此一般都制备为微米级别的孔道，但是这种级别的孔道对废水中悬浮物固体(SS)的要求极高，一旦有大量SS存在则会在堵塞孔道从而阻碍污染物传质。此外，无论是普通板式还是电催化膜电极其在应用时电极的布置一直都是难题，板状或者多孔管状电极在水体中的排列以及电源的布置都会占据大面积的池体面积，布置极为反锁，且不易清洗。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种微球型亚氧化钛(Ti4O7)电极的制备方法，工艺简单、尺寸可控，制得的微球型亚氧化钛电极电催化能力和导电性好，对有机污染物具有很好的降解效果，并且布置方式简单。
技术方案
本发明人以二氧化钛纳米颗粒为原料，首先采用空气烧结制备二氧化钛小球，随后利用氢气还原制备微球型亚氧化钛(Ti4O7)电极。本发明创新性的将Ti4O7材料制备成毫米级别的微球，从可以实现滤料过滤的电解方式，简化电极的布置且不会占据大量池体面积，同时Ti4O7材料良好的导电性也无需大量布置电线来提供电源，只需在Ti4O7微球层的一端提供电源即可，极大地简化反应体系。同时清洗也极为简单，只需用水反冲洗即可。具体方案如下：
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液，加入到纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的、直径为3～20mm的小球，烘干；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下烧结，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下烧结，然后冷却到室温，即得。
进一步，步骤(1)中，异丙醇和去离子水的体积比为1:(1～2.5)。
进一步，步骤(1)中，异丙醇和去离子水的混合溶液的用量为：每20g纳米二氧化钛颗粒中加入10～20mL的混合溶液。
进一步，步骤(1)中，所述纳米二氧化钛颗粒的粒径为40～100nm。
进一步，步骤(1)中，所述烘干温度为110℃，时间为2～4h。
进一步，步骤(2)中，所述烧结温度为850～1050℃，时间为4～8h。
进一步，步骤(3)中，所述烧结温度为850～1050℃，时间为4～10h。
本发明的有益效果：本发明提供了一种微球型亚氧化钛(Ti4O7)电极的制备方法，工艺简单、尺寸可控，本发明利用二氧化钛纳米颗粒为原料，制得的制得的微球型亚氧化钛电极不仅电催化能力和导电性好，且极易布置和清洗，对有机污染物具有很好的降解效果的同时极大地简化反应体系，可广泛用于污水处理中难降解有机污染物的去除。
附图说明
图1为实施例8制得的微球型亚氧化钛电极的XRD图；
图2为实施例8制得的微球型亚氧化钛电极对三环唑的去除率测试结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的方案作进一步说明。
实施例1
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液10ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:1，加入到20g粒径为40nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，850℃烧结4h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，850℃烧结4h，然后冷却到室温，即得。
实施例2
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液10ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:1.5，加入到20g粒径为40nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，850℃烧结4h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，850℃烧结4h，然后冷却到室温，即得。
实施例3
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液16ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:1.5，加入到20g粒径为60nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，950℃烧结6h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，950℃烧结6h，然后冷却到室温，即得。
实施例4
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液16ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:2，加入到20g粒径为60nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，950℃烧结6h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，950℃烧结6h，然后冷却到室温，即得。
实施例5
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液16ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:2，加入到20g粒径为80nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，1050℃烧结8h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，950℃烧结8h，然后冷却到室温，即得。
实施例6
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液18ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:2.5，加入到20g粒径为80nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，1050℃烧结8h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，950℃烧结8h，然后冷却到室温，即得。
实施例7
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液18ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:2.5，加入到20g粒径为100nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，1050℃烧结6h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，1050℃烧结10h，然后冷却到室温，即得。
实施例8
一种微球型亚氧化钛电极的制备方法，包括如下步骤：
(1)配制异丙醇和去离子水的混合溶液16ml，异丙醇和去离子水的体积比为1:1，加入到20g粒径为100nm的纳米二氧化钛颗粒中，搅拌成泥状，然后涂抹到球型模具中，得到形状规则的3～5mm小球，烘干(温度为110℃，时间为2h)；
(2)将烘干后的小球在空气的条件下，1050℃烧结6h，然后冷却到室温；
(3)将步骤(2)的小球在氢气的氛围下，1050℃烧结6h，然后冷却到室温，即得。
本实施例制得的微球型亚氧化钛(Ti4O7)电极的XRD图见图1，从图1中可以看出纳米二氧化钛成功的还原为Ti4O7，还原效果良好。
以三环唑为目标污染物，测试实施例8制得的微球型亚氧化钛电极与普通板式亚氧化钛电极的电催化氧化性能，污水中三环唑的初始浓度为50mg/L，电流密度为1mA/cm2，采用高效液相色谱仪测定污水中三环唑的浓度变化情况，并计算三环唑的去除率，结果见图2。
由图2可以看出，在相同条件下，本发明的微球型亚氧化钛电极与普通板式亚氧化钛电极相比具有更高的去除效率，这说明本发明制备的电极有更好的氧化效果。
