一种硫掺杂氧化铜催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种硫掺杂氧化铜催化剂的制备方法，涉及催化材料技术领域，包括以下步骤：（1）将CuSO4·

【技术实现步骤摘要】
一种硫掺杂氧化铜催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化材料
，尤其是涉及一种硫掺杂氧化铜催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]氧化铜是一种典型的窄带系(1.2
‑
1.5eV)P型半导体材料，晶体结构为单斜晶系，晶格常数a＝0.4684nm，b＝0.3423nm，c＝0.5129nm。在CuO(110)晶面，铜原子被氧原子组成的长方形包围，而氧原子又同样被变形铜四面体包围。纳米氧化铜粉体具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应等特性，因而在催化方面，纳米氧化铜可以很好地催化降解废水中残留的有机染料和抗生素。
[0003]常用抗生素的主要类型包括β
‑
内酰胺类、大环内酯类、四环素类、喹诺酮类和磺胺类，这些抗生素残留对人类健康和环境危害极大，常规的处理方法比如化学氧化法、生物降解法、膜分离法等成本比较高，工艺复杂，而光催化剂催化降解抗生素是一种较为彻底且绿色安全的方法，因此研发更有效的光催化材料具有重要意义。
[0004]然而单一的CuO纳米材料光生载流子与目标降解物发生氧化反应主要依靠其本征迁移至催化剂表面,光生电子和空穴在迁移过程中易发生正负吸引，催化效果有限。为了得到更加优越的光催化性能，目前对氧化铜的研究主要集中在对氧化铜的改性上，比如优化氧化铜的形貌、掺杂改性、表面修饰或构造异质结等，但是采用何种元素进行掺杂、掺杂后是否能提升催化性能、以及如何优化合成工艺，进一步提高和拓展其在催化降解方面的应用，是本领域技术人员需要解决的问题。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提供一种硫掺杂氧化铜催化剂，通过S掺杂以及制备工艺优化，制备的硫掺杂氧化铜催化剂活化PMS降解抗生素磺胺甲恶唑，催化效果优异，能实现超快降解，稳定性强，经济环保。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种硫掺杂氧化铜催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将CuSO4·
5H2O溶于一定量的去离子水中溶解，然后加入NaOH溶液，磁力搅拌10分钟，形成混合物溶液，所述CuSO4·
5H2O与NaOH摩尔比为1：2
‑
4；
[0009](2)向混合物溶液中加入Na2S2O3，继续搅拌30
‑
40分钟，然后将得到的悬浮液转移到高压釜里，80
‑
140℃下反应6小时，高压釜自然冷却后，样品用蒸馏水和乙醇交替离心3次，然后60℃下干燥12小时，得产品；
[0010]所述CuSO4·
5H2O和Na2S2O3的摩尔比为1:0.25
‑
1。
[0011]进一步的，步骤(2)中的反应温度为100℃。
[0012]进一步的，所述CuSO4·
5H2O和Na2S2O3的摩尔比为1:0.5。
[0013]一种硫掺杂氧化铜催化剂，所述催化剂表面O包括吸附氧O
‑
1、高级氧化物种O
‑
2和
晶格氧O
‑
3，所述吸附氧O
‑
1的含量为14.96％，高级氧化物种O
‑
2的含量为18.97％，晶格氧O
‑
3的含量为66.07％。
[0014]一种硫掺杂氧化铜催化剂在活化PMS降解抗生素方面的应用。
[0015]进一步的，应用于降解抗生素磺胺甲恶唑的反应条件是：抗生素初始浓度为20mg
·
L
‑1，催化剂用量为0.05
‑
0.2g
·
L
‑1、PMS用量为0.01
‑
0.5mM，pH＝5
‑
7。
[0016]进一步的，应用于降解抗生素磺胺甲恶唑的反应条件是：抗生素初始浓度为20mg
·
L
‑1，催化剂用量为0.1g
·
L
‑1、PMS用量为0.5mM，pH＝6.4。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]1、本申请公开一种硫掺杂氧化铜催化剂，在氧化铜中掺杂硫，掺杂的S均匀分布在CuO晶体结构中，极大的提高了催化剂活化PMS降解抗生素的效率，具体为以下几点：(1)催化剂为均匀的纳米片层结构，孔径为28.49nm，比表面积大；(2)硫掺杂后催化剂表面晶格氧的比例变化很大，催化剂表面氧包括吸附氧O
‑
1、高级氧化物种O
‑
2和晶格氧O
‑
3，所述吸附氧O
‑
1的含量为14.96％，高级氧化物种O
‑
2的含量为18.97％，晶格氧O
‑
3的含量为66.07％，即硫掺杂后催化剂表面晶格氧的比例增加30.4％，吸附氧比例减少了11.18％，导致点缺陷和晶体剪切，极大的促进了催化反应；(3)S掺杂增强Cu原子和O原子的键合能力，还提高了Cu
‑
O键的共价性；且Cu2p、S2p和O1s轨道的较高重叠进一步表明Cu
‑
S
‑
O键的形成，键合能力、共价性的增强以及Cu
‑
S
‑
O的形成促进了电子转移，进一步提高PMS活化的催化活性。(4)在与PMS形成界面后，S
‑
CuO和PMS之间的电子转移更为明显，即掺杂后的催化剂到PMS的电子转移更容易。
[0019]2、本申请通过优化原料以及合成温度，将S成功掺杂到CuO中，制备得到比表面积大、高纯度的、具有良好结晶性能的催化剂，制备工艺简单，不需要额外添加引导剂、分散剂以及溶剂，更具有经济和环保效益。
[0020]3、本申请中S掺杂量对催化效率影响比较大，当Cu/S为1:1时，催化剂和电解质溶液之间界面处的电荷转移电阻最小，催化剂的尺寸最小，对抗生素的降解效率最高。
[0021]将其应用于活化PMS降解抗生素磺胺甲恶唑，控制抗生素磺胺甲恶唑初始浓度为20mg
·
L
‑1，催化剂用量为0.1g
·
L
‑1、PMS用量为0.5mM，pH＝6.4，在1min可以完全降解磺胺甲恶唑，反应动力学为0.462s
‑1，能够实现超快降解，催化性能优异。而且本申请催化剂对恩诺沙星、磺胺吡啶、磺胺氯哒嗪也具有优异的降解性能，应用范围广。
[0022]4、在五次重复操作中，磺胺甲恶唑的降解效率依然非常高，结构稳定性强；而且S的引入极大的抑制Cu的浸出，减少了二次污染。
[0023]且1
‑
S
‑
CuO/PMS系统中磺胺甲恶唑的转化产物更简单，毒性更小，经济环保。
附图说明
[0024]图1为CuO和1
‑
S
‑
CuO的XRD图谱；
[0025本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫掺杂氧化铜催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）将CuSO4·
5H2O溶于一定量的去离子水中溶解，然后加入NaOH溶液，磁力搅拌10分钟，形成混合物溶液，所述CuSO4·
5H2O与NaOH摩尔比为1：2
‑
4；（2）向混合物溶液中加入Na2S2O3，继续搅拌30
‑
40分钟，然后将得到的悬浮液转移到高压釜里，80
‑
140℃下反应6小时，高压釜自然冷却后，样品用蒸馏水和乙醇交替离心3次，然后60℃下干燥12小时，得产品；所述CuSO4·
5H2O和Na2S2O3的摩尔比为1:0.25
‑
1。2.根据权利要求1所述的一种硫掺杂氧化铜催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中的反应温度为100℃。3.根据权利要求1所述的一种硫掺杂氧化铜催化剂的制备方法，其特征在于：所述CuSO4·
5H2O和Na2S2O3的摩尔比为1:0.5。4.一种权利要求1的制备方法制备的硫掺杂氧化铜催化剂，其特征在于：所述催化剂表面O包括吸附氧O
‑
1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：何家洪，师慧婷，徐强，杨俊，谢志刚，李强，
申请(专利权)人：重庆文理学院，
类型：发明
国别省市：