富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：将六水合硝酸铟和去离子水混合均匀，加入尿素和硝酸铜，搅拌均匀，于140

【技术实现步骤摘要】
富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于降解有机污染物催化剂
，具体来说涉及一种富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着快速的经济增长，造成城市污水和工业废水含有仅利用常规生化法难以去除的难降解有机污染物，例如药品、个人护理产品和杀虫剂，这严重影响了饮用水、地表水和人类健康。有限的科研和专项调查表明，我国的难降解有机污染物造成的威胁已经不在是个例而是普遍存在的，因此亟需对难降解有机污染物进行有效的去除。以PMS(过氧单硫酸盐)为基础的高级氧化过程(PMS
‑
AOPs)可以通过断裂不对称PMS分子内的O
‑
O键来产生活性氧(ROS)。其中产生的硫酸根自由基(SO4·
‑
，E0＝2.50
‑
3.10V
NHE
)和羟基自由基(
·
OH，E0＝1.80
‑
2.70V
NHE
)具有高的氧化还原电位，是将难降解有机污染物矿化为二氧化碳和水的关键ROS。不幸的是PMS分子中的O
‑
O键的键长比其他常用的氧化剂(如过氧化氢(H2O2)和过氧二硫酸盐(PDS))要短，这就意味着键的断裂需要更高的解离能(377kJ
·
mol
‑1)。
[0003]众所周知，PMS产生ROS的过程中涉及吸附和界面电子转移。在PMS活化过程中，吸附构型往往影响O
‑
O键断裂的难易程度和产生的ROS种类。这个过程一般可分为两种类型：side
‑
on和end
‑
on型。而PMS在催化剂上side
‑
on的吸附构型可以有效拉伸O
‑
O键的长度，降低解离能，从而促进PMS的活化。相反，end
‑
on吸附构型则不利于O
‑
O键的拉伸断裂。同时，从动力学的角度来看，ROS的生成效率是由PMS和催化剂之间的电子转移率决定的。因此，提高电子从催化剂到PMS的转移效率也是至关重要的。最近，金属氧化物中的氧空位(Ov)受到了极大的关注。一方面，氧空位两侧通常是具有高对称性的阳离子，这有利于O
‑
O键中两个O原子的被同时吸附。另一方面，Ov上可用的孤对电子能够为PMS活化提供丰富的电子源。然而，氧空位虽然在尽一定程度上能够满足PMS活化的要求，但PMS在催化剂表面的高吸附能垒和低电子转移效率仍然远远不能令人满意。原因是氧空位的高度对称性造成PMS吸附时具有高吸附能垒并将电子束缚在Ov处，从而削弱了电子转移到PMS的转移效率，进而影响降解效率。因此，打破氧空位的对称性去调节催化剂和反应物之间的吸附构型和电子转移效率对开发更先进的类似芬顿催化系统是至关重要的。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂的制备方法，该制备方法通过铜掺杂在富缺陷氧化铟上构建不对称氧空位，用不同量的硝酸铜来调控不对称Cu
‑
O
v
‑
In位点活化PMS降解污染物的性能。不对称氧空位是指与O
v
配位的相邻两种金属具有不同的化学环境，主要表现为不同的配位数或不同的价态，可以用M1‑
O
v
‑
M2表示(M表示金属原子)。
[0005]本专利技术的另一目的是提供上述制备方法获得的富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂。
[0006]本专利技术的另一目的是提供上述富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂在活化PMS去除污
染物中的应用，该富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂提高PMS自由基产生效率，解决目前PMS活化过程中O
‑
O键断裂产生自由基效率低的问题。
[0007]本专利技术的目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0008]一种富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0009]1)将六水合硝酸铟和去离子水混合均匀，加入尿素和硝酸铜，搅拌均匀，于140
‑
150℃下密封12
‑
13h，冷却至室温，离心，洗涤离心所得固体，干燥，得到固体材料，其中，所述六水合硝酸铟的物质的量份数、去离子水的体积份数、尿素的物质的量份数和硝酸铜的质量份数的比为1：60：3：(0.5
‑
3)，所述物质的量份数的单位为mmol，所述体积份数的单位为mL，所述质量份数的单位为g；
[0010]在所述步骤1)中，将六水合硝酸铟和去离子水混合均匀的方法为：将六水合硝酸铟和去离子水混合，搅拌至少20min。
[0011]在所述步骤1)中，加入尿素和硝酸铜，搅拌10～15min至均匀。
[0012]在所述步骤1)中，所述洗涤为分别用蒸馏水和无水乙醇交替清洗。
[0013]在所述步骤1)中，所述干燥的温度为60～70℃。
[0014]2)在还原气氛下，将所述固体材料于550～600℃下煅烧2～3h，得到富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂。
[0015]在所述步骤2)中，所述还原气氛为H2和Ar的混合气，按体积份数计，所述H2和Ar的比为(0.01～1):(9～10)。
[0016]在所述步骤2)中，将所述固体材料以5℃/min的加热速度从室温升至550～600℃。
[0017]上述制备方法获得的富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂。
[0018]上述富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂在活化PMS降解污染物中的应用。
[0019]在上述技术方案中，所述污染物为四环素、盐酸多西环素、罗丹明B、环丙沙星或亚甲基蓝。
[0020]在上述技术方案中，降解方法为：取富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂和PMS投加到待降解液中，在搅拌条件下进行类芬顿催化反应。
[0021]在上述技术方案中，按质量份数计，所述富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂和PMS的比为(15～25):15。
[0022]在上述技术方案中，待降解液中污染物的浓度为10～20mg/L。
[0023]本专利技术具有的有益效果如下：
[0024]1.本专利技术富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂活化PMS能够在20min实现几乎100％的四环素去除率，80min内可矿化80％的四环素。在四环素的去除过程中，富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂相较于对称In
‑
O
v
‑
In位点的In2O3/O
v
，使活化PMS降解四环素的去除速率常数提高了31.8倍。
[0025]2.本专利技术富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂可以有效去除水环境中多重污染物，比如盐酸多西环素、亚甲基蓝、环丙沙星等。
[0026]3.本专利技术通过Cu掺杂构建的不对称Cu
‑
O
v
‑
In位点抑制了在降解过程中金属离子的泄漏量，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将六水合硝酸铟和去离子水混合均匀，加入尿素和硝酸铜，搅拌均匀，于140～150℃下密封12～13h，冷却至室温，离心，洗涤离心所得固体，干燥，得到固体材料，其中，所述六水合硝酸铟的物质的量份数、去离子水的体积份数、尿素的物质的量份数和硝酸铜的质量份数的比为1：60：3：(0.5～3)，所述物质的量份数的单位为mmol，所述体积份数的单位为mL，所述质量份数的单位为g；2)在还原气氛下，将所述固体材料于550～600℃下煅烧2～3h，得到富缺陷铜掺杂氧化铟纳米催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将六水合硝酸铟和去离子水混合均匀的方法为：将六水合硝酸铟和去离子水混合，搅拌至少20min。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，加入尿素和硝酸铜，搅拌10～15min至均匀。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述洗涤...

【专利技术属性】
技术研发人员：展思辉，王鹏飞，赵志勇，李轶，张贺，宋春林，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：