负载单原子铁的氮化碳材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了负载单原子铁的氮化碳材料及其制备方法与应用；一种负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：A)将一定量的双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍在水中溶解后再加入六水氯化铁或九水硝酸铁进行混溶反应，然后将复合物进行蒸干收集，放入管式炉中进行高温煅烧获取前驱体；B)将所制得的前驱体在连续通氮气或氩气条件下进行高温煅烧，冷却至室温后即获取负载单原子铁的氮化碳材料；本发明专利技术可广泛用于环保、化工、纺织等领域。纺织等领域。纺织等领域。

【技术实现步骤摘要】
负载单原子铁的氮化碳材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于废水处理
，特别涉及一种负载单原子铁的氮化碳材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着工业的高速发展，与之而来引发的水污染问题也日益加重。考虑到高浓度有机污染物在传统生物处理工艺中难以实现深度去除，如不妥善处置则将对公共健康和生态环境造成危害。日益兴起的高级氧化技术对有机污染物可实现高效、快速且无毒副产物形成的氧化降解。但现有的高级氧化技术在实际应用中仍受限，例如：以过氧化氢作为氧化剂体系面临氧化剂的O
‑
O键能高难以激活，且芬顿体系易受pH限制，主要集中于酸性；基于过硫酸盐的高级氧化体系随高效但其最终产物为硫酸根离子，会造成潜在环境风险。因此，开发新型氧化剂并将其高效激活用于有机污染物的无害化处理迫在眉睫。
[0003]相较而言，兴起的基于过氧乙酸的高级氧化体系因其最终产物为CO2无二次污染风险、O
‑
O键能显著低于传统型氧化剂、易被活化产生高性能氧化物种等优点，在有机污废水的净化方面显现出突出优势。当前应用于过氧乙酸活化的方法主要借用均相过渡金属离子，如Fe
2+
、Co
2+
等，或依靠高能输入，如紫外、高温辅助，虽然在增强氧化剂激活和催化氧化性能方面具有特定优势，但可能这些体系仍存在二次污染和高能耗投入等问题，因此在实际应用方面受阻。因此，急需开发一种环保、低耗能的过氧乙酸活化方法。考虑到铁本身兼具廉价易得且在传统类芬顿体系中得以广泛性应用等特性，若能将其用于可见光响应系统的构建是可有效解决上述棘手难题的。所以如何将铁进行固定形成非均相光激活剂是该想法得以实践的关键。考虑到氮化碳材料因其具有丰富的氮位点可用于牢固锚定铁金属。同时该材料具有易制备、可见光响应好、化学性质稳定且易规模化生产等优点，使得该想法的实现成为可能。此外，单独的氮化碳光催化其本身存在电荷载流子分离低，电子
‑
空穴对易复合和对光的利用能力有限等问题，铁的引入可对其进行有效缓解。然而，仅依靠普通铁掺杂，铁的利用仍较低且其催化活性同样受限。若将其实现单原子型负载，可达到铁位点的最大化暴露和利用，且其活性也得以显著放大；同时借助氮化碳本身易于在高温合成过程中形成氮空位作为电子陷阱，通过调控氮空位和铁位点的间距，可实现电子源源不断地向铁位点的输入。如此，可实现对过氧乙酸的高效可见光激活，从而产生高性能氧化物种加速脱污进程。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术的目的就在于提供一种负载单原子铁的氮化碳材料及其制备方法与应用。
[0005]本专利技术的技术方案是，一种负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
[0006]A)将一定量的双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍在
水中溶解后再加入六水氯化铁或九水硝酸铁进行混溶反应，然后将复合物进行蒸干收集，放入管式炉中进行高温煅烧获取前驱体；
[0007]B)将所制得的前驱体放置于未加盖坩埚中，在连续通氮气或氩气，并在550～620摄氏度条件下对前驱体进行连续3
‑
5小时的高温煅烧，然后冷却至室温后即获取负载单原子铁的氮化碳材料。
[0008]其中，双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍是作为氮化碳框架的前驱，六水氯化铁或九水硝酸铁是用于作用铁单原子位点的前驱。
[0009]根据本专利技术所述的负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法的优选方案，在水溶液中，双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍的质量浓度为0
‑
400克/升，六水氯化铁或九水硝酸铁的质量浓度为2～8克/升。
[0010]本专利技术的第二个技术方案是，根据本专利技术所述的负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法得到的负载单原子铁的氮化碳材料。
[0011]本专利技术的第三个技术方案是，根据本专利技术所述的负载单原子铁的氮化碳材料用于去除水中有机污染物，其特征在于：将负载单原子铁的氮化碳材料作为光催化剂投加到含有机污染物的废水中，并加入过氧乙酸作为氧化剂，在可见光辅助下利用负载单原子铁的氮化碳材料激活过氧乙酸，形成强氧化性活性物种，作用于脱污进程，以去除水中有机污染物。
[0012]进一步，所述负载单原子铁的氮化碳材料的投加量为0.2克/升。
[0013]进一步，所述有机污染物包括酚类、抗生素类及染料。
[0014]进一步，过氧乙酸投加量为0.01～2毫摩尔/升。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果：
[0016]本专利技术利用负载单原子铁的氮化碳材料作为光催化剂，在可见光辅助下利用负载单原子铁的氮化碳材料激活过氧乙酸，构建新型高级氧化系统，去除水中有机污染物，能够对废水中对多种难降解污染物进行高效去除，具有污染物脱污速率快、抗干扰性能优越、无有毒副产物生成、pH适用范围宽、耐受性好等优点，不会产生均相体系过渡金属离子析出的二次污染；可高效去除染料、酚类和抗生素类等多种难降解污染物；单原子铁的氮化碳激活剂可持续性循环使用，可广泛应用在环保、化工、纺织等领域。
附图说明
[0017]图1为通过本实例所述方法合成的负载单原子铁的氮化碳材料的物相表征结果。
[0018]图2为通过本实例所述方法合成的负载单原子铁的氮化碳材料的扫描电子显微镜照片，显示负载单原子铁的氮化碳材料是层状结构。
[0019]图3为通过本实例所述方法合成的负载单原子铁的氮化碳材料的透射电子显微镜照片，显示负载单原子铁的氮化碳材料的纳米片结构。
[0020]图4为通过本实例所述方法合成的单原子铁材料的高角环形暗场像
‑
扫描透射电子像，显示负载单原子铁的氮化碳材料成功负载铁单原子。
[0021]图5为通过本实例所述方法合成的不同铁负载量单原子铁材料活化过氧乙酸对双酚A的去除率，负载量为0.24克的单原子铁材料对双酚A的去除具有优异的性能。
[0022]图6为负载单原子铁的氮化碳材料在每次循环使用中30分钟内活化过氧乙酸对双
酚A的去除率，在15次循环中显示良好的稳定性。
[0023]图7是为依本实例得到的负载单原子铁的氮化碳材料
‑
过氧乙酸体系在无光照或无氧化剂或无催化剂条件下双酚A去除率。
[0024]图8a、8b为依本实例得到的投加不同量过氧乙酸的负载单原子铁的氮化碳材料
‑
过氧乙酸可见光激活体系中的反应速率常数和双酚A去除率。
[0025]图9a、9b为依本实例测得的不同初始pH条件下反应速率常数和双酚A去除率。
[0026]图10是为依本实例得到的负载单原子铁的氮化碳材料
‑
过氧乙酸可见光激活体系降解对等对氯苯酚、环丙沙星、盐酸四环素等物质的去除率。
[0027]图11a、11b分别是为依本实例得到的投加不同种类氧化剂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：A)将一定量的双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍在水中溶解后再加入六水氯化铁或九水硝酸铁进行混溶反应，然后将复合物进行蒸干收集，放入管式炉中进行高温煅烧获取前驱体；B)将所制得的前驱体在连续通氮气或氩气条件下进行高温煅烧，冷却至室温后即获取负载单原子铁的氮化碳材料。2.根据权利要求1所述的负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法，其特征在于，在水溶液中，双氰胺、三聚氰胺、尿素、双氰胺、硫脲、氨腈、胍盐氯或硫氰酸胍的质量浓度为0
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400克/升，六水氯化铁或九水硝酸铁的质量浓度为2～8克/升。3.根据权利要求1或2所述的负载单原子铁的氮化碳材料的制备方法得到的负载单原子铁的氮化碳材料。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈飞，孙伊姣，袁潮苇，白昌伟，朱柯安，陈欣嘉，张斌斌，陈猷鹏，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：