一种碳包裹的四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种碳包裹的四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用，该复合材料是以四氧化三锰为内核，其表面包裹有无定形碳层。其制备方法包括以下步骤：将高锰酸钾、葡萄糖溶解于溶剂中，搅拌，所得混合溶液进行水热反应，离心，洗涤，过滤，干燥，得到碳包裹四氧化三锰前驱体；将碳包裹四氧化三锰前驱体进行煅烧，酸洗，水洗，干燥，得到碳包裹四氧化三锰复合材料。本发明专利技术碳包裹的四氧化三锰复合材料具有吸附性能好、催化活性高、稳定性好等优点，能够实现对有机污染物的高效降解，且重复利用性能好，有着很好的使用价值和应用前景。本发明专利技术制备方法整体工艺流程简单，对设备和反应参数要求不高，有利于大规模生产。有利于大规模生产。有利于大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种碳包裹的四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于材料
和有机污染物的高级氧化处理领域，涉及一种碳包裹的四氧化三锰复合材料及其制备方法和应用，具体涉及一种碳包裹的四氧化三锰复合材料的制备和该碳包裹的四氧化三锰活化过硫酸盐在降解水体中有机污染物中的应用。

技术介绍

[0002]随着社会经济日益发达、工农业的迅猛发展，大量工农业废水、生活污水的排放和农药的使用，使得水资源遭到严重的污染和破坏。水环境的生物多样性遭到严重威胁，生产力大幅下降，阻碍了社会经济的可持续发展。有机物是现代工业发展的主要化工原料，因而水环境中有机污染的程度日益加重，成为水环境治理的一大难点。大量有机污染物进入水体后，很难被自然降解，在超出水体的自净能力后就会破坏原本的水生态环境，导致水质恶化等一系列问题。以2,4-二氯苯酚为例，它作为一种重要的化工合成中间体有很广泛的应用。然而，它可通过多种途径进入人体，刺激神经系统，造成人体中毒。且它在自然条件下不易被降解，对环境生物造具有一定的毒害作用。因而大力发展高效、简单、绿色环保的有机污染水处理技术已经成为当代水环境研究领域科研工作者的重要任务。
[0003]许多难降解有机污染物很难通过普通的处理污水处理工艺得到去除。近年来，过硫酸盐高级氧化技术由于氧化还原能力强，成本较低，易于操作等诸多优势在高效降解有机物方面展现了巨大的潜力，从而在环境有机污染修复方面成为备受瞩目的研究领域之一。在催化剂的作用下，过硫酸盐可以被活化产生一系列活性氧(如硫酸根自由基、羟基自由基和单线态氧等)从而攻击污染物，实现其逐步降解。目前，诸多过渡金属氧化和碳材料已被证明是过硫酸盐高级氧化技术的良好催化剂。然而，一些催化剂仍存在可重复利用性低、催化性能较弱等缺点，因而开发具有高催化性能且可重复利用的过硫酸盐催化剂对于促进过硫酸盐高级氧化技术在水体有机污染处理中的应用具有十分重要的意义。
[0004]近年来，锰氧化物因其优异的物理化学性质而被用于电极、催化剂和超级电容器的相关研究，且锰氧化物以矿物的形式广泛分布于土壤中，对环境的毒性较低，是一类较安全的过渡金属氧化物。Mn本身具有多个化学态，其化学态之间的互相转化使其具备优秀的电子传递性能。已有研究表明锰氧化物如二氧化锰等均可以有效活化过硫酸盐。但在使用后，锰氧化物自身的化学态往往很难保持，故其重复利用性能往往较低。开发具备高稳定性且具备高活性的锰氧化物材料用于有机污染物降解对于催化材料的开发以及环境水体的治理都具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术需要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种吸附性能好、催化活性高、稳定性好的碳包裹的四氧化三锰复合材料及其制备方法，还提供了一种该碳包裹的四氧化三锰复合材料在活化过硫酸盐降解水体中有机污染物中的应用，该应用方法具有操作简单、降解效率高、运行周期短等优点，能够对水体有机污染物的高效降解。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种碳包裹的四氧化三锰复合材料，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料是以四氧化三锰为内核，所述四氧化三锰表面包裹有无定形碳层。
[0008]上述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，进一步改进的，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料具有分级的孔径结构，孔径分布主要集中在2nm～5nm和8nm～30nm的区间范围内。
[0009]上述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，进一步改进的，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料为纳米立方体；所述纳米立方体的边长为500nm～1000nm。
[0010]上述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，进一步改进的，所述内壳是由纳米四氧化三锰颗粒组成的纳米立方体；所述无定形碳层的厚度为2nm～6nm。
[0011]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的碳包裹的四氧化三锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0012]S1、将高锰酸钾、葡萄糖溶解于溶剂中，所得混合溶液进行水热反应，离心，洗涤，过滤，干燥，得到碳包裹四氧化三锰前驱体；
[0013]S2、将步骤S1中得到的碳包裹四氧化三锰前驱体进行煅烧，酸洗，水洗，干燥，得到碳包裹四氧化三锰复合材料。
[0014]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述葡萄糖和高锰酸钾的摩尔比为0.5～2∶1；所述溶剂为水；所述水热反应的温度为160℃～180℃；所述水热反应的时间为10h～12h；所述洗涤为先用乙醇洗涤2次～4次，再用超纯水洗涤2次～4次。
[0015]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述煅烧在氮气气氛下进行；所述煅烧过程中的升温速率为5℃/min～8℃/min；所述煅烧的温度为400℃～800℃；所述煅烧的时间为2h～3h；所述酸洗过程中采用的酸洗液为盐酸溶液或硝酸溶液；所述酸洗液的浓度为0.5mol/L～3mol/L；所述酸洗的次数为3次～4次，单次酸洗的时长为20min～30min。
[0016]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的碳包裹的四氧化三锰复合材料或上述的制备方法制得的碳包裹的四氧化三锰复合材料在去除水体中有机污染物的应用。
[0017]上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将碳包裹的四氧化三锰复合材料与含有机污染物水体混合，搅拌，加入过硫酸盐进行氧化降解处理，完成对水体中有机物的去除；所述碳包裹的四氧化三锰复合材料与含有机污染物水体中的有机污染物的质量比为1～8∶1；所述过硫酸盐与含有机污染物水体中的有机污染物的质量比为1～20∶1。
[0018]上述的应用，进一步改进的，所述过硫酸盐为过二硫酸钠或过一硫酸氢钾；所述含有机污染物水体的pH值为2～8；所述含有机污染物水体中有机污染物为酚类污染物、抗生素类污染物或染料污染物；所述酚类污染物为双酚A、苯酚、2,4-二氯苯酚中的至少一种；所述抗生素类污染物为盐酸四环素和/或诺氟沙星；所述染料污染物为罗丹明B和/或甲基橙；所述搅拌过程中的转速为150rpm～300rpm；所述搅拌过程中的温度为15℃～35℃；所述搅拌的时间为60min～120min；所述氧化降解处理过程中的温度为15℃～35℃；所述氧化降解处理的时间为60min～140min。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0020](1)本专利技术提供了一种碳包裹的四氧化三锰复合材料，以四氧化三锰为内核，可以促进表面碳层与外部的电子传递进而提升复合材料整体的催化性能，外部包裹的碳层可以
很好地保护内部四氧化三锰核心，阻止其与外部溶液环境的直接接触，从而提升该材料整体的抗腐蚀能力；同时，本专利技术碳包裹的四氧化三锰复合材料具有规则的纳米立方体结构、丰富的孔隙结构和丰富的官能团，可以有效地吸附有机污染物，并对过硫酸盐具有高催化活性，可实现污染物的有效降解。本专利技术碳包裹的四氧化三锰复合材料具有吸附性能好、催化活性高、稳定性好等优点，能够实现对有机污染物的高效降解，且重复利用性能好，有着很好的使用价值和应用前景。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳包裹的四氧化三锰复合材料，其特征在于，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料是以四氧化三锰为内核，所述四氧化三锰表面包裹有无定形碳层。2.根据权利要求1所述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，其特征在于，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料具有分级的孔径结构，孔径分布主要集中在2nm～5nm和8nm～30nm的区间范围内。3.根据权利要求1或2所述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，其特征在于，所述碳包裹的四氧化三锰复合材料为纳米立方体；所述纳米立方体的边长为500nm～1000nm。4.根据权利要求1或2所述的碳包裹的四氧化三锰复合材料，其特征在于，所述内壳是由纳米四氧化三锰颗粒组成的纳米立方体；所述无定形碳层的厚度为2nm～6nm。5.一种如权利要求1～4中任一项所述的碳包裹的四氧化三锰复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将高锰酸钾、葡萄糖溶解于溶剂中，所得混合溶液进行水热反应，离心，洗涤，过滤，干燥，得到碳包裹四氧化三锰前驱体；S2、将步骤S1中得到的碳包裹四氧化三锰前驱体进行煅烧，酸洗，水洗，干燥，得到碳包裹四氧化三锰复合材料。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述葡萄糖和高锰酸钾的摩尔比为0.5～2∶1；所述溶剂为水；所述水热反应的温度为160℃～180℃；所述水热反应的时间为10h～12h；所述洗涤为先用乙醇洗涤2次～4次，再用超纯水洗涤2次～4次。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述煅烧在氮气气氛下进行；所述煅烧过程中的升温速率为5...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤琳，刘雅妮，罗俊，王佳佳，冯程洋，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：