还原性石墨烯负载纳米Ce制造技术

本发明专利技术公开了属于材料制备及环境技术领域的一种还原性石墨烯负载纳米Ce

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料制备及环境
，具体涉及一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和在废水中有害污染物处理中的应用。
技术介绍
随着全球人口的增长，水资源日益成为影响人类发展的重要制约因素，水体中已经检测出种类繁多的微量乃至痕量的有毒有机污染物，例如，药品与个人护理用品(PPCPs)，内分泌干扰物(EDCs)等。这些污染物具有较强的生物活性，并且生物降解缓慢，可能给人类健康带来潜在危险。随着水资源的紧缺，废水的回收利用逐渐受到重视，这就要求将废水中微量乃至痕量的有毒有机污染物去除。污水处理厂采用的一些传统方法(混凝-絮凝、污泥吸附、生物转化等)很难降解这类有毒污染物。因此，水中微量/痕量有毒有机污染物的处理显得尤为重要。高级氧化法通过将化学氧化剂(O3、H2O2、过渡态金属等)与辅助能量(紫外线、电流、射线等)的结合，形成大量的羟基自由基，用于氧化分解有机污染物。其中，芬顿反应具有廉价、效果好等优点，针对应用该反应去除水中有机污染物的研究不断增多。研究表明，传统的均相芬顿反应催化剂，适用pH范围窄，Fe2+在溶液中较难除去，且Fe2+/3+易与中间产物形成络合物沉淀，因此，研究类芬顿反应的非均相催化剂材料逐渐成为主流。目前，主要以Fe0及Fe3O4、Fe2O3、FeOOH为基础，进行相关的材料改性。例如，SiO2-Fe、沸石-Fe、RGO-Fe3O4，皂石-Fe、蒙脱石-Fe、CeO2掺杂Fe等，它们具有良好的催化效果，能够降解大部分污染物，有效增强污染物的可生化性。但是，利用还原性石墨烯负载零价铈(Ce0)掺杂纳米零价铁(Fe0)，作为类芬顿反应的催化剂，目前尚未见报道。还原性石墨烯具有独特的优势，首先，它是一种单层结构，碳原子之间通过π-π键结合，并且拥有较大的比表面积，使得它吸附性能好，可以使污染物在催化剂表面迅速富集并参与反应；其次，它比氧化石墨烯拥有更少的含氧官能团，因此在化学反应中更稳定；最后，还原性石墨烯能为催化剂提供载体，起到分散与支撑催化剂的作用。零价铁(Fe0)具有一定的比表面积，电负性很大，具有还原能力，电极电位E0(Fe2+/Fe)＝-0.44V，因而，零价铁可以被氧化为Fe2+。Fe2+也具有还原性，E0(Fe3+/Fe2+)＝0.771V，Fe2+可进一步被水中的氧化剂氧化，形成Fe3+，产生羟基自由基(HO·)。零价铈(Ce0)有储氧和释氧的功能，可提高催化剂的效率。将Ce0作为催化剂Fe0的助剂，通过与过渡金属之间的协同作用，进一步提高催化剂的活性。催化剂分散在还原性石墨烯上，可以增加催化剂的稳定性以及与催化剂反应的接触面积。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料及其制备方法和应用。为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法，所述复合材料中还原性石墨烯上负载的纳米Fe0和Ce0的负载比为(10:1)-(20:1)，采用铁盐、铈盐与氧化石墨烯共沉淀法，合成还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法的具体步骤如下：(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中超声1.5-2.5h，超声功率在300W以上，然后加入Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O，形成混合溶液，最后在氩气气氛保护下机械搅拌1-1.5h，使混合溶液处于无氧状态；(2)在混合溶液中加入KBH4溶液进行反应，反应的温度为21±1℃，反应时间为60-120min，反应过程中持续鼓入氩气，使反应在无氧状态下进行；反应后生成的纳米Ce0与纳米Fe0负载到还原石墨烯上，形成沉淀；反应原理为：Fe(H2O)62++2BH4-→Fe0↓+2B(OH)3+7H2↑Ce(NO3)4+4NaBH4+12H2O＝Ce0↓+4NaNO3+4B(OH)3+14H2↑石墨烯与鼓气产生的微小气泡，可作为铁原子和铈原子的附着核，防止纳米粒子的团聚；(3)将生成的沉淀洗涤并真空干燥后获得还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料；所述还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料中的Fe0和Ce0的负载比为10:1-20:1。步骤(1)加入的Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O与氧化石墨烯的物质的量比为1:20:2.5-1:10:1.25。步骤(2)中所述加入的KBH4溶液与铁铈离子混合溶液的体积比为1:1-2.5:1，浓度比为5:1-8:1。步骤(2)中所述反应的容器为四口圆底烧瓶。步骤(3)中所述沉淀采用去离子水和无水乙醇各洗涤一遍。所述制备方法制备的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料在废水中有害污染物处理中的应用。所述应用以还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料为催化剂，在H2O2存在下与废水中有害污染物反应，进而将有害污染物去除。反应的原理为：纳米零价铁在水中易于腐蚀，反应方程式为(1)：Fe+2H2O→Fe2++H2+2OH-(1)当水中存在溶解氧和双氧水时，发生反应(2-5)：2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-(2)Fe0+H2O2+2H+→Fe2++H2O(3)Fe2++H2O2→Fe3++HO-+·HO(4)Fe3++H2O2→Fe2++HO-+HO2·(5)Ce的加入，使催化剂表面吸附的氧含量增加，可以促进产生大量的活性自由基，反应方程式为(6-9)：Ce3++O2→Ce4++·O2-(6)·O2-+H+→2·OH(7)Ce3++H2O2+H+→Ce4++·OH+H2O(9)Ce4+易于捕获电子形成Ce3+，而Ce4+/Ce3+还原反应的电位为1.84V，能促进Fe3+被还原为Fe2+，从而提高了纳米零价铁的催化活性，反应方程式为(10-11)：Ce4++e-→Ce3+(10)Ce3++Fe3+→Ce4++Fe2+(11)所述废水的pH值为2-8，废水中有害污染物的初始浓度为1-30mg/L；所述还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的用量为0.5-1g/L。本专利技术的有益效果为：所述制备方法的合成工艺简单、设备要求低、成本低；合成的还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料，用于处理废水中难生物降解的有害污染物，反应高效快速，经济可行，且无二次污染，在处理废水中难<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法，所述复合材料中还原性石墨烯上负载的纳米Fe0和Ce0的负载比为(10:1)‑(20:1)，其特征在于，采用铁盐、铈盐与氧化石墨烯共沉淀法，合成还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的制备方法，所述复合材
料中还原性石墨烯上负载的纳米Fe0和Ce0的负载比为(10:1)-(20:1)，其特
征在于，采用铁盐、铈盐与氧化石墨烯共沉淀法，合成还原性石墨烯负载纳米
Ce0/Fe0复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的
制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将氧化石墨烯分散在去离子水中超声1.5-2.5h，超声功率在300W以
上，然后加入Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·7H2O，形成混合溶液，最后在氩气气氛
保护下机械搅拌1-1.5h，使混合溶液处于无氧状态；
(2)在混合溶液中加入KBH4溶液进行反应，反应的温度为21±1℃，反应
时间为60-120min，反应过程中持续鼓入氩气，使反应在无氧状态下进行；反应
后生成的纳米Ce0与纳米Fe0负载到还原石墨烯上，形成沉淀；
(3)将生成的沉淀洗涤并真空干燥后获得还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种还原性石墨烯负载纳米Ce0/Fe0复合材料的
制备方法，其特征在于，步骤(1)加入的Ce(NO3)3·6H2O、FeSO4·...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建龙，万众，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11