一种气固相电催化氧化VOCs的电极材料及其制备方法和应用

本发明属于电催化的，涉及一种气固相电催化氧化vocs的电极材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、挥发性有机物(vocs)不仅是室内空气中的主要气态污染物，对人体健康具有很大危害，而且是臭氧和灰霾形成的前体物，导致大气环境污染。vocs的去除一直是研究的热点。vocs的去除技术主要包括吸附、催化氧化技术等。

2、吸附技术能够常温去除vocs，但是存在吸附材料易吸附饱和、需频繁更换、产生二次污染等问题。如cn109364739a公开了一种废气vocs的连续去除工艺及其专用装置，该装置包括气体吹扫装置、除雾装置、电解液循环装置、toc检测分析装置、工控机和至少两个并联使用的结构相同的吸附-降解-再生一体化装置；所述吸附-降解-再生一体化装置包括壳体、设在壳体内的吸附-降解-再生单元和设在壳体上的废气入口、吹扫气体入口、电解液进口、电解液出口和排气口；废气入口连通废气vocs，吹扫气体入口连通气体吹扫装置，电解液进口和电解液出口连通电解液循环槽，排气口连通toc检测分析装置，工控机与toc检测分析装置相连。

3、热催化氧化技术可以在中低温彻底氧化vocs为二氧化碳和水。由于苯系物分子结构复杂，室温条件下催化材料难以实现苯系物的氧化去除。如cn208627023u公开了一种臭氧催化氧化去除vocs的装置，包括反应罐、设置于反应罐两端的烟气入口和烟气出口，所述反应罐包括前端管道、催化反应单元和后端管道，所述前端管道内沿烟气运动方向依次设置有臭氧投加均布器、整流板，所述臭氧投加均布器与臭氧源连接，所述后端管道设置有尾气吸收层，所述催化反应单元包括一组阵列排列的筒形蒸气加热管以及紧套于筒形蒸气加热管外壁的多孔陶瓷层，所述多孔陶瓷层上负载有贵金属催化剂。该文献设计合理，各工序可形成稳定配合，可在150℃以下的温度下把烟气中vocs氧化降解成二氧化碳和水，对vocs含量为80ppm以下的低浓度、大风量的含vocs废气的去除效率可高达80％。

4、电催化氧化技术可以实现常温常压下气相vocs的消除，其原理为电极氧化水蒸气产生羟基自由基等高活性氧物种氧化vocs生成二氧化碳和水。目前，电催化去除vocs的效率有待提高，非常有必要通过改进电极材料，提高催化氧化vocs性能。

5、因此，如何提升电催化氧化技术去除vocs的效率，提升电催化氧化性能，是目前亟需解决的。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种气固相电催化氧化vocs的电极材料及其制备方法和应用。本发明提供的电极材料，通过在sno2中掺杂碱金属，可改变室温下电催化氧化去除vocs的效率，提升催化性能，实现vocs的有效去除。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种气固相电催化氧化vocs的电极材料，所述电极材料包括sno2以及掺杂于所述sno2表面的碱金属。

4、本发明提供的电极材料，通过在sno2中掺杂碱金属，提高电子转移和材料的导电性，增加相同电压下电流强度，促进水的活化和羟基自由基等活性氧物种产生，可改变室温下电催化氧化去除vocs的效率，提升催化性能，实现vocs的有效去除。

5、优选地，所述碱金属以氧化物的形式掺杂于sno2层表面。

6、本发明提供的sno2层为薄片状，除薄片状要求外，形状不统一，包括规则或不规则的形状。

7、优选地，所述碱金属元素包括li、na、k、rb、cs或fr中的任意一种或至少两种的组合，优选为li和/或na。

8、本发明中，选用li或na作为掺杂元素，相比于其他的碱金属元素，可更好地实现材料导电性提高、促进羟基自由基产生和vocs氧化。

9、优选地，所述碱金属与sn的摩尔比为(0.01～0.5):1，例如0.01:1、0.05:1、0.1:1、0.15:1、0.2:1、0.25:1、0.3:1、0.35:1、0.4:1、0.45:1或0.5:1等。

10、本发明中，碱金属与sn的摩尔比过大，即碱金属掺入过多，不利于羟基自由基产生和vocs氧化；而摩尔比过小，即碱金属掺入过少，又很难实现、增强材料导电性、提高羟基自由基产生和vocs氧化性能的目的。

11、优选地，所述sno2表面还掺杂有sb。

12、本发明中，sno2表面还掺杂有sb，与碱金属协同配合，可更好地解决羟基自由基产生量少、氧化vocs效率低的问题。

13、优选地，所述sb和sn的摩尔比为(0.01～0.49):1，例如0.01:1、0.05:1、0.1:1、0.15:1、0.2:1、0.25:1、0.3:1、0.35:1、0.4:1、0.45:1或0.49:1等。

14、本发明中，sb和sn的摩尔比过大，即sb掺杂过多，会影响材料导电性、析氧电位和vocs氧化性能；而摩尔比过少，即sb掺杂过少，又会导致析氧电位得不到有效提高，羟基自由基产生量少，从而vocs氧化性能下降。

15、第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的气固相电催化氧化vocs的电极材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

16、在sno2层表面掺杂碱金属，得到所述气固相电催化氧化vocs的电极材料。

17、优选地，所述sno2层的制备方法包括电沉积法。

18、优选地，所述电沉积法包括将sn的可溶性盐溶液在基底表面电解沉积得到sno2层。

19、优选地，所述电解的电流密度为16～20ma/cm2，例如16ma/cm2、17ma/cm2、18ma/cm2、19ma/cm2或20ma/cm2等。

20、优选地，所述电解沉积的时间为10～60min，例如10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等。

21、优选地，所述掺杂的方法包括溶胶凝胶法或浸渍法。

22、可以实现碱金属掺杂于sno2层表面的方法，本发明均适用。

23、优选地，所述浸渍法包括将sno2层浸渍于碱金属可溶性盐溶液中，干燥，焙烧。

24、本发明提供的碱金属可溶性盐溶液，其中的盐的种类选择，本发明不做特别限定，可溶的碱金属盐类，本发明均适用，包括但不限于碱金属卤素盐、碱金属碳酸盐等。

25、优选地，所述焙烧的温度为300～600℃，例如300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等。

26、本发明中，焙烧的温度过低，会导致材料稳定性差；而焙烧的温度过高，又会使得掺杂元素团聚、烧结、分散度降低。

27、优选地，所述焙烧的时间为2～6h，例如2h、3h、4h、5h或6h等。

28、优选地，所述碱金属掺杂的同时，还包括sb的掺杂。

29、优选地，sb的掺杂的方法包括：将sno2层浸渍于碱金属和sb的混合可溶性盐溶液中，干燥，焙烧。

30、作为优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：

31、将sn的可溶性盐溶液在基底表面以16～20ma/cm2的电流密度电解沉积10～60min时间得到sno2层；

32、将sno2层浸渍于碱金属可溶性盐溶液中，干燥，300～600℃下焙烧2～6h，得到所述电极材料。

33、需要说明，本发明提供的基底结构，均为本领域的常规技术选择；本领域技术人员可依据实际需求进行适应性调整。

34、第三方面，本发明提供一种电催化电极，所述电催化电极包括金属基底，所述电催化电极还包括位于所述金属基底表面的活性物质层，所述活性物质层的材料包括如第一方面所述的气固相电催化氧化vocs的电极材料。

35、本发明提供的电催化电极，除电极材料外，其余的结构以及组合方式，均为常规技术手段；可选地，金属基底包括但不限于泡沫钛、泡沫镍或泡沫铜等。

36、第四方面，本发明还提供一种电催化电极的用途，所述用途包括将如第三方面所述的电催化电极用于气固相电催化氧化vocs。

37、本发明中，将电催化电极用于气固相电催化器件中为本领域技术人员的常规认知，合理的范围内，本领域技术人员可获知的，用于vocs催化氧化的器件类型，本发明均适用。

38、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

39、本发明提供的电极材料，通过在sno2中掺杂碱金属，提高电子转移和材料的导电性，增加相同电压下电流强度，促进水的活化和羟基自由基等活性氧物种产生，可改变室温下电催化氧化去除vocs的效率，提升催化性能，实现vocs的有效去除。