一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂及其制备方法和应用。所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂为氮掺杂的钴化铁和碳的复合物；所述复合物中，氮掺杂的质量分数为2～5％，铁化钴化合物的质量分数为30～55％。本发明专利技术提供的氮掺杂钴化铁/碳催化剂具有较高的比表面积，高效的催化活性和优异的化学稳定性；与现有的催化剂相比，其在活化过硫酸盐降解土霉素时，有较强的催化活性，更为宽的pH活化范围，降解土霉素效率高且再生使用性能优异。能优异。能优异。

【技术实现步骤摘要】
一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于水污染控制领域，具体涉及一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]土霉素已广泛应用于畜牧业和医药等领域。然而，由于土霉素的不完全使用，在各种环境中包括废水、地表水、土壤和沉积物能发现土霉素的存在，其浓度从 ppb到ppm不等。作为一种潜在的污染物，土霉素引起了广泛的关注，因为它会破坏生态平衡，给人类和水生生物带来潜在的危机。此外，土霉素的多芳香环结构保证了它在环境中的化学稳定性和较长的半衰期，这将导致土霉素污染的持续存在。因此，为了降低土霉素的毒性，人们探索了去除土霉素的各种策略，如吸附、化学处理、生物降解和混凝。虽然这些方法可以暂时去除土霉素，但土霉素的不完全去除和矿化仍然带来了二次污染物。近年来，高级氧化技术通过反应性物种将具有高氧化还原电位的有机污染物直接氧化成小分子化合物而受到专家学者们的密切关注。而基于过硫酸盐的高级氧化技术由于高的氧化还原电位 (2.5～3.1V)和长的半衰期(30
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40μs)对各种难降解有机污染物具有显著的氧化能力。一般来说，可以通过超声、热处理、紫外线光解和微波辐射活化过硫酸盐产生活性自由基降解有机物。然而，通过这些技术需要高能量输入，这进一步限制了它的广泛应用。
[0003]过渡金属复合物在活化过硫酸盐过程中表现出高效的催化活性。然而单一的金属离子具有大的表面能量，在降解有机物过程中，金属离子易溶解和聚集，这将显著降低催化活性和降解效率。专利CN105399197A通过制备三维磁性有序铁钴复合物进而有效活化过硫酸盐，但相关专利报道较少。因此，探索新型催化剂对于高效稳定活化过硫酸盐降解目标污染物具有显著的研究意义和应用前景。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有金属纳米粒子在活化过硫酸盐过程中的易溶解和聚集等问题，引起金属离子析出和反应活性位点减少的缺点，开发一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂。本专利技术提供的氮掺杂钴化铁/碳催化剂具备稳定的化学特性，高的比表面积和优异的催化活性，将其活化过硫酸盐降解土霉素时，有较强的催化活性，较宽的pH活化范围(1.7～10)，降解土霉素效率高且再生使用性能优异。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供上述氮掺杂钴化铁/碳催化剂的制备方法。
[0006]本专利技术的另一目的在于提供上述氮掺杂钴化铁/碳催化剂在降解有机污染物中的应用。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂，所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂为氮掺杂的钴化铁和碳的复合物；所述复合物中，氮掺杂的质量分数为 2～5％，铁化钴
化合物的质量分数为30～55％。
[0009]应当理解的是，复合物的总质量分数为100％，C元素的质量分数为余量。
[0010]本专利技术的专利技术人经过研究(CN112473670A)得到了一种可高效活化过硫酸盐的铁酸钴/蒙脱石/C催化剂；其将铁酸钴、蒙脱石和C进行复合，其中蒙脱石为铁酸钴和C的引入提供了良好的载体并阻止钴铁氧纳米粒子的团聚；铁酸钴的存在能够高效的活化过硫酸盐，是降解有机污染物的关键材料；C的引入可以将有机污染物吸附到催化剂表面并增强材料的电子传递能力，加速有机污染物的高效降解。通过三者的配合得到的催化剂可高效活化过硫酸盐去除四环素，去除四环素效率高且再生利用性强，pH使用范围宽(3～8)。其pH使用范围虽然较宽，但仍有一定的提升空间。
[0011]本专利技术的专利技术人在此研究的基础上，试图构建一种新的催化剂。经研究发现，在金属化合物中掺杂氮原子可以形成金属
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N键(M代表金属离子)进一步形成结构化氮(石墨氮、吡啶氮和吡咯氮)，进而促进催化反应体系中相邻碳原子的电子和自旋密度，提高其催化降解作用。氮元素的引入不仅能够促进催化剂活性位点的形成，而且金属
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N键的形成可有效抑制金属离子的析出和溶解，具有更为宽泛的pH使用范围。
[0012]具体地，本专利技术将钴化铁和碳进行复合，同时引入氮掺杂；氮掺杂的引入能够抑制金属离子的团聚和溶解，而钴化铁材料能够是活化过硫酸盐降解抗生物等有机污染物的核心要素，碳的引入能够强烈的吸附有机物到复合物表面为电子传递提供微环境，进而高效降解有机污染物。此外，氮掺杂钴化铁/碳催化剂具有较高的比表面积，高效的催化活性和优异的化学稳定性；与现有的催化剂相比，其在活化过硫酸盐降解土霉素时，有较强的催化活性，更为宽的pH活化范围，降解土霉素效率高且再生使用性能优异。
[0013]优选地，所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂为花状。
[0014]花状结构的氮掺杂钴化铁/碳催化剂具有更高的比表面积。
[0015]优选地，所述复合物中氮掺杂的质量分数为2～5％，铁化钴化合物的质量分数为30～55％，所述复合物中碳元素的质量分数为40～70％。
[0016]更为优选地，所述复合物中氮掺杂的质量分数为2～5％，铁化钴化合物的质量分数为
[0017]上述氮掺杂钴化铁/碳催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0018]S1：将氮源在500～550℃下热解获得含氮材料；
[0019]S2：将含氮材料、钴源、铁源和碳源均匀混合溶解得到混合溶液，并于 170～185℃下进行水热合成反应，经离心，清洗，冷冻干燥得氮掺杂钴化铁/碳催化剂前体物；
[0020]S3：将氮掺杂钴化铁/碳催化剂前驱物于400～500℃下煅烧，即得所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂。
[0021]本专利技术利用常规的水热反应法制备氮掺杂钴化铁/碳前驱物材料，然后经高温热解制备得到氮掺杂钴化铁/碳复合催化剂材料，工艺简单，原料及制备流程价格低廉；合成获得的氮掺杂钴化铁/碳催化剂具有显著的催化性能。
[0022]本领域常规的氮源、钴源、铁源和碳源均可用于本专利技术中。
[0023]通过水热合成与高温热解等方法是在催化剂中引入氮和碳元素的主要方法，通过利用不同的含氮和含碳前驱体在催化剂中形成不同官能团和活性物种，进一步增强其催化活性。
[0024]优选地，S1中所述氮源为三聚氰胺、尿素或双氰胺中的一种或几种。
[0025]通过使用这些小分子含氮有机物作为含氮前驱体在催化剂中引入氮元素，能够形成金属
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N键，抑制金属离子的团聚和溶解，为复合物活化过硫酸盐降解有机物提供稳定的环境。
[0026]优选地，S1所述热解时间为3～3.5h。
[0027]优选地，S2中所述钴源为氯化钴、硫酸钴或硝酸钴中的一种或几种。
[0028]优选地，S2中所述铁源为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁中的一种或几种。
[0029]优选地，S2所述混合液中含氮材料的添加量为0.3～1.5mmol/L。
[0030]优选地，S2所述混合溶液中钴源的添加浓度为10～15mmol/L本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂钴化铁/碳催化剂，其特征在于，所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂为氮掺杂的钴化铁和碳的复合物；所述复合物中，氮掺杂的质量分数为2～5％，铁化钴化合物的质量分数为30～55％。2.根据权利要求1所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂，其特征在于，所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂为花状。3.根据权利要求1所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂，其特征在于，所述复合物中C元素的质量分数为40～70％。4.权利要求1～3任一所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：将氮源在500～550℃下热解获得含氮材料；S2：将含氮材料、钴源、铁源和碳源均匀混合溶解得到混合溶液，并于170～185℃下进行水热合成反应，经离心，清洗，冷冻干燥获得氮掺杂钴化铁/碳催化剂前体物；S3：将氮掺杂钴化铁/碳催化剂前驱物于400～500℃下煅烧，即得所述氮掺杂钴化铁/碳催化剂。5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，S1中所述氮源为三聚氰胺、尿素或双氰胺中的一种或几种；S2中所述钴源为氯化钴、硫酸钴或硝酸钴中的一种或几种；S2中所述铁源为氯化铁、硫酸铁或硝酸铁中的一种或几种；S3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：李猛，莫测辉，李彦文，蔡全英，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：