一种改性碳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改性碳催化剂的制备方法，包括将碳纳米管放入反应腔体，向反应腔体内抽真空，然后通入氧气，碳纳米管的质量为15

【技术实现步骤摘要】
一种改性碳催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于碳材料改性处理领域，具体涉及一种改性碳催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近些年来，环境保护问题越来越被大家所关注，人们对环境问题愈发重视，水污染问题是环境保护问题的重要组成部分，地表水中存在的污染物种类繁多，其中持久性有机污染物(POPs)具有高毒、持久、生物积累性和远距离迁移性，对水环境破坏力很大。目前认定的POPs中含有大量难降解的含氯有机物。
[0003]处理水中难降解含氯有机污染物的方法主要分为三类：物理法、生物降解法和氧化法。其中氧化法降解含氯有机污染物最为有效，水处理中的氧化技术可分为三种：(1)传统化学氧化技术；(2)高温/高压氧化技术；(3)高级氧化技术。
[0004]传统化学氧化技术使用空气、氯气等作为氧化剂，根据氧化剂自身的氧化性去除水中有机物。其方法简单，运行方便，但氧化剂氧化性不高，成本较高，难以大规模应用。高温/高压氧化技术包括湿式氧化和超临界水氧化等。此种技术对运行条件要求很高，难以稳定运行。
[0005]高级氧化技术通过产生羟基等自由基对有机污染物进行氧化，其氧化速率高，芬顿氧化是最经典的高级氧化技术，但也存在着Fe
3+
还原为Fe
2+
反应的动力学缓慢、要求严苛的酸性pH条件、产生大量铁泥等缺陷，相比于传统芬顿氧化，过硫酸盐高级氧化具有着以下优点：过硫酸盐储存和运输的成本更低、自由基的产率更高、处理效率对反应参数的依赖性更低、过氧化物的活化方式和活化路径更多等优点。目前关于过硫酸盐非自由基活化的研究主要涉及碳材料，利用碳材料活化过硫酸盐的研究可分为三类：
[0006]1.直接利用碳材料活化。
[0007]2.对碳材料进行杂原子掺杂。如掺杂氮、硫等。
[0008]3.以碳材料为基底负载金属或金属氧化物，制备复合材料。如Co
‑
N
‑
C等材料。
[0009]如专利号为CN112517026A的中国专利文献，该方法将活性炭、硫粉和球磨球加入到氧化锆球磨罐中，球磨结束后自然冷却至室温,过筛分离得到微纳尺寸的硫掺杂碳材料。相较于已有的制备方法来说，该方法制备出的硫掺杂碳材料具有微纳米结构，可以提供更大的比表面积和更优异的催化性能。然而该制备工艺相对复杂，降解活性有待进一步提升，可通过创新的方法进一步简化工艺，提升降解活性。

技术实现思路

[0010]本专利技术提供一种改性碳催化剂及其制备方法和应用，该制备方法简单高效，且制备得到的改性碳催化剂具有较高的催化活性和较高的催化效率。
[0011]本专利技术具体实施例提供一种改性碳催化剂的制备方法，包括：
[0012]步骤一、将碳纳米管放入反应腔体，向反应腔体内抽真空，然后通入氧气，碳纳米
管的质量为15
‑
25mg，稳态下，氧气的流量为40
‑
60mL/min；
[0013]步骤二、向碳纳米管射频放电得到改性碳催化剂，射频放电时间为600s
‑
3000s，放电功率为200W
‑
400W，所述射频放电的频率为12
‑
14MHz，射频输入电压为187
‑
253V，射频类型为射频放电等离子体。
[0014]进一步的，对碳纳米管进行放电过程中，所述反应腔体的压强为20
‑
50pa。当压强低于20Pa时，限制了电离氧的扩散与传输，腔体内部氧气量过低，无法进行含氧官能团的刻蚀，当压强高于50Pa时，电离氧会不稳定，例如电弧放电、闪光，在高压下，等离子体的电子在高速运动时会撞击氧气分子，从而产生光子，因为光子是一种电磁波，不具有化学性质。进而无法与碳纳米管表面进行刻蚀。
[0015]进一步的，将碳纳米管放入反应腔体之前，将所述碳纳米管放入瓷舟四周边缘，将边缘放有碳纳米管的瓷舟放入反应腔体的1/3
‑
1/2处。边缘处的碳纳米管被刻蚀的效果高于正中央处，当氧气气流通过时有利于羟基和羰基在碳纳米管表面的形成，从而得到更多含量的羰基。
[0016]进一步的，所述碳纳米管的质量与氧气流量的比为0.25
‑
0.45g
·
min/L。
[0017]比例过低，氧气流量过高，会过度激化，产生大量的气体离子和自由基，会跟物质表面形成氧化层，从而使得碳纳米管表面无法进行反应得到更多的羰基、羟基和缺陷。
[0018]比例过高，氧气流量过低，等离体不稳定，电离氧含量比较低，局部产生羰基和缺陷，无法使得整个碳纳米管表面均匀刻蚀，使得反应活性位点较少；由于氧气流量低会产生高能电子，高能电子导致等离体的强度增加，较高强度的电离氧轰击碳纳米管表面时会导致碳纳米管表面热损伤，导致碳纳米管的氧化、热裂纹，晶格结构发生变化，比表面积下降，反应活性降低。
[0019]本专利技术还提供了一种改性碳催化剂，所述改性碳催化剂通过所述改性碳催化剂的制备方法制备得到。
[0020]所述改性碳催化剂的微观形貌呈管状，所述改性碳催化剂具有表面缺陷，所述碳纳米管表面均匀分布氧元素，使得改性碳催化剂表面具有羰基和羟基。
[0021]所述羰基在改性碳催化剂的含量为2.59
‑
4.37％，所述表面缺陷在改性碳催化剂的含量为10.29
‑
15.4％。
[0022]本专利技术还提供了所述改性碳催化剂在降解2，4
‑
二氯苯酚上的应用，包括：
[0023]将2，4
‑
二氯苯酚与PMS进行混合，搅拌均匀得到混合溶液；
[0024]将所述改性碳催化剂加入混合溶液。
[0025]没有经过氧等离子体处理的碳纳米管悬浮液在2,4
‑
DCP降解过程中出现明显的分层和劣质分散效果。处理后的碳纳米管分散性的提高是由于其表面化学性质的改变，即具有较多的羟基，减少了分子间的吸引力，促进了与周围介质的相互作用。也就是说，处理引入了表面功能团，这些功能团可以与溶剂分子形成氢键、静电相互作用和其他类型的化学键合，从而导致碳纳米管在溶液中更加稳定和均匀地分散，有利于反应物的传输，提高了整个催化反应过程的效率。
[0026]进一步的，所述改性碳催化剂的质量为2
‑
10mg。
[0027]进一步的，所述2，4
‑
二氯苯酚与PMS的浓度比为1：10。
[0028]进一步的所述改性碳催化剂在降解2，4
‑
二氯苯酚的反应动力学常数K，与所述改
性碳催化剂中的缺陷含量D和羰基含量O的二元线性模型为：
[0029]K＝1.56O+3.23D
‑
0.41，其中，决定系数为R2＝0.93。
[0030]本专利技术通过在实验过程中偶然发现反应动力学常数(K)、缺陷(D)和羰基化程度(O)之间的关系。通过计算变量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种改性碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括：步骤一、将碳纳米管放入反应腔体，向反应腔体内抽真空，然后通入氧气，碳纳米管的质量为15
‑
25mg，稳态下，氧气的流量为40
‑
60mL/min；步骤二、向碳纳米管射频放电得到改性碳催化剂，射频放电时间为600s
‑
3000s，放电功率为200W
‑
400W，所述射频放电的频率为12
‑
14MHz，射频输入电压为187
‑
253V，射频类型为射频放电等离子体。2.根据权利要求1所述的改性碳催化剂的制备方法，其特征在于，对碳纳米管进行放电过程中，所述反应腔体的压强为20
‑
50Pa。3.根据权利要求1所述的改性碳催化剂的制备方法，其特征在于，碳纳米管的质量与氧气流量的比为0.25
‑
0.45g
·
min/L。4.根据权利要求1所述的改性碳催化剂的制备方法，其特征在于，将碳纳米管放入反应腔体之前，将所述碳纳米管放入瓷舟四周边缘，然后将放有碳纳米管的瓷舟放入反应腔体的1/3
‑
1/2处。5.一种改性碳催化剂，其特征在于，通过根据权利要求1
‑
4任一项所述的改性碳催化剂的制备方法制备得到。6.根据权利要求5所述的改性...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨彬，姜涛，雷乐成，李中坚，侯阳，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：