磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及抗生素四环素类废水处理技术领域，尤其是涉及一种磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂及其制备方法和应用，其中，制备方法包括以下步骤：将九水硝酸铁的水溶液加入氧化石墨烯的水溶液中，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到铁单原子；将磷化铁和铁单原子混合溶于水，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到磷化铁/铁单原子类芬顿光催化。在该催化剂中，非金属磷和过渡金属铁均具备多种价态特征，多价态之间电子循环，显著提高了双氧水的利用率；而单原子铁活性位点的引入，提高了多相催化剂活性位点分布，进而提升了双氧水的活性效率；将该催化剂用于四环素类抗生素废水处理时，显著提高了抗生素类四环素废水的降解效率。率。率。

【技术实现步骤摘要】
磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及抗生素四环素类废水处理
，尤其是涉及一种磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]芬顿氧化反应作为高级氧化技术的一大类，在环境治理和修复整治中具有重要的应用前景。传统芬顿氧化即二价铁与双氧水反应产生具有强氧化能力的羟基自由基，降解有机污染物。然而传统芬顿氧化存在双氧水活化利用率低，铁泥造成水体二次污染、受pH影响较大、均相催化剂无法回收等问题。因此，迫切需要发展高活性位点的多相类芬顿催化剂，解决上述问题。
[0003]过渡金属磷化物是一类重要的多功能催化剂材料，近年来被广泛应用于电催化、热催化、光催化等领域。其中，磷化铁作为一种成本低廉、性能优良的磷化物，一方面，磷化铁具备宽光学吸收，可以作为可见光甚至近红外光催化剂；另一方面，其过渡金属铁的存在，在双氧水活化过程中可以作为活性位点，用于双氧水的活化。同时，因其非金属磷和过渡金属铁均还具备多种价态特征，可以实现多价态之间循环，提高电子在催化剂中的迁移转换效率，进一步提升双氧水的利用率。因此，磷化铁可以作为一种优异的类芬顿光催化剂应用于有机废水处理领域。
[0004]然而，传统磷化铁颗粒，其比表面积较小，表面暴露的铁活性位点相对较少，无法应对难降解有机污染物的快速降解。
[0005]有鉴于此，提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种一种磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂及其制备方法和应用，在该催化剂中，非金属磷和过渡金属铁均具备多种价态特征，多价态之间电子循环，显著提高了双氧水的利用率；而单原子铁活性位点的引入，提高了多相催化剂活性位点分布，进而提升了双氧水的活性效率；将该催化剂用于四环素类抗生素废水处理时，显著提高了抗生素类四环素废水的降解效率。
[0007]本专利技术提供一种磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]将九水硝酸铁的水溶液加入氧化石墨烯的水溶液中，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到铁单原子；将磷化铁和铁单原子混合溶于水，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂。
[0009]本专利技术首先利用超高比表面积的氧化石墨烯作为载体，通过九水硝酸铁三价铁离子与氧化石墨烯残余氧之间的配位鳌合作用及还原性，制备得到单原子分散的铁单原子，随后利用磷化铁表面的正电荷和铁单原子表面的负电荷，通过静电吸引
‑
浸渍复合的方法将磷化物纳米颗粒和铁单原子复合后得到磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂。研究表明，该催化剂具有较宽的光学吸附性能，可实现可见和近红外光催化，并且，在该催化剂中非金属
磷和过渡金属铁均具备多种价态特征，多价态之间电子循环，提高了双氧水的利用率，而单原子铁活性位点的引入，进一步提升了双氧水的活性。将该催化剂用于四环素类抗生素废水处理时，显著提高了抗生素类四环素废水的降解效率。
[0010]研究发现，该催化剂在可见
‑
近红外光照射下，对四环素的降解率可达100％，并且循环使用6次后，其降解四环素的效率依旧可达94％。
[0011]本专利技术对于氧化石墨烯和九水硝酸铁的具体配比用量不作严格限定，但是为了保证铁原子能够均一的负载在氧化石墨烯的表面，保证铁原子高暴露活性位点，每1
‑
2mg/mL质量浓度的氧化石墨烯对应九水硝酸铁的质量浓度为0.5
‑
1mg/L；同理，本专利技术对于磷化铁和铁原子的质量比也不作严格限定，但是，为了保证磷化铁表面正电荷与铁原子表面负电荷之间的匹配度，提高原料的利用率，控制所述磷化铁和所述铁单原子的质量比为(50
‑
100)：(5
‑
10)。
[0012]此外，本专利技术对于铁原子和磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂制备搅拌、离心和冷冻干燥的具体工艺参数也不作严格限定，以搅拌充分、洗涤干净，减少杂质含量为准。具体地，所述铁单原子制备时，控制搅拌时间为20
‑
28h，搅拌完成后，使用去离子水离心洗涤3
‑
4次后，进行冷冻干燥；优选地，所述搅拌时，控制搅拌速率为100
‑
150rpm；所述磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂制备时，控制搅拌时间为10
‑
14h，搅拌完成后，使用去离子水离心洗涤3
‑
4次后，进行冷冻干燥。
[0013]根据上述制备方法制备得到的磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂，也理应属于本专利技术的保护范围。
[0014]本专利技术的另一具体实施例，还公开上述磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂在四环素类抗生素废水处理中的应用，同样，也理应属于本专利技术的保护范围。
[0015]具体地，磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂处理四环素类抗生素废水的方法，包括以下步骤：
[0016]将磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂加入含有四环素的污染物溶液中，达到吸附平衡后，加入双氧水，并在可见
‑
近红外光照射下进行反应。
[0017]作为本技术方案优选地，所述四环素：所述磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂和所述双氧水的质量浓度比为(20
‑
50)：(0.02
‑
0.05)：(0.025
‑
0.625)。
[0018]而在本技术方案中，本专利技术的催化剂在处理四环素类抗生素废水时，所述污染物溶液的浓度为10
‑
50mg/L时，该催化剂对于四环素的降解效果较佳，并且以浓度为20mg/L时，处理效果最佳。
[0019]本专利技术对于可见
‑
近红外光照的强度不作严格限定，但为进一步提高催化剂的光活性，所述可见
‑
近红外光照的光强为100
‑
200mW/cm2，并优选为200mW/cm2。
[0020]本专利技术的磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂，至少具有以下技术效果：
[0021]1、本专利技术利用超高比表面积的氧化石墨烯作为载体，通过三价铁离子与氧化石墨烯残余氧之间的配位鳌合作用和还原性，制备出单原子分散的铁单原子，在该铁单原子中，铁以单原子的形式均一地负载在氧化石墨烯载体上，该铁单原子以单原子作为催化活性中心进行催化反应，在原子尺度上实现了最大化的活性位点构筑；
[0022]2、本专利技术还利用了磷化铁表面的正电荷和铁单原子催化剂表面的负电荷，通过静电吸引
‑
浸渍复合法，将磷化物纳米颗粒和铁单原子催化剂复合，制备了磷化铁/铁单原子
类芬顿光催化剂。该方法制备得到的磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂稳定、高效。
[0023]3、与传统芬顿及类芬顿催化剂相比，本专利技术的磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂具备以下优势：优异的宽光学吸收性能，可以实现可见光和近红外光的催化；非金属磷和过渡金属铁均具备多种价态特征，其多价态之间电子循环，显著提高了双氧水的利用率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将九水硝酸铁的水溶液加入氧化石墨烯的水溶液中，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到铁单原子；将磷化铁和铁单原子混合溶于水，并依次进行搅拌、洗涤和冷冻干燥，得到磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，每1
‑
2mg/mL质量浓度的氧化石墨烯对应九水硝酸铁的质量浓度为0.5
‑
1mg/L；所述磷化铁和所述铁单原子的质量比为(50
‑
100)：(5
‑
10)。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铁单原子制备时，控制搅拌时间为20
‑
28h，搅拌完成后，使用去离子水离心洗涤3
‑
4次后，进行冷冻干燥；优选地，所述搅拌时，控制搅拌速率为100
‑
150rpm。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述磷化铁/铁单原子类芬顿光催化剂制备时，控制搅拌时间为10
‑
14h，搅拌完成后，使用去离子水离心洗涤3
‑
4次后...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铸，李秀英，邓岳鹏，刘兆清，张烤明，邹杰，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：