单原子钴负载氮化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单原子钴负载氮化碳催化剂及其制备方法和应用，该制备方法包括以下步骤：将2

【技术实现步骤摘要】
单原子钴负载氮化碳催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于环境新材料领域，具体涉及一种单原子钴负载氮化碳催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在人们的生产生活中，抗生素已被广泛使用，而且大量未被有效利用的抗生素容易通过各种途径进入到水环境中，其在自然水体中检测到的抗生素的浓度从ng/L到μg/L不等。与此同时，大量进入到环境中的抗生素，可能会引起抗生素耐药性的问题，进而对人类身体健康产生严重威胁。因此，有效去除水环境中的抗生素是非常有必要的。
[0003]基于过硫酸盐的高级氧化技术(PS
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AOPs)可形成高活性物种，具有pH应用范围宽、半衰期长、保存简易等优点，能够快速去除水体中难降解有机污染物。然而，过硫酸盐在常温条件下比较稳定，对有机污染物的降解效果一般，因而寻找一种高效活化过硫酸盐的催化剂显得尤为重要。
[0004]单原子钴负载氮化碳材料，是一种单原子催化剂，其可作为活化剂用于高效活化过硫酸盐，然而，现有常规方法制得的单原子钴负载氮化碳材料仍然存在以下缺陷：虽然通过自组装合成的三聚氰胺
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三聚氰酸超分子(g
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C3N4前驱体)能够负载单原子钴，但是由于g
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C3N4前驱体的结合力不足，因而难以牢固固定单原子钴，且难以实现单原子钴的均匀分散，从而导致单原子钴负载氮化碳材料的催化活性仍然较差，同时单原子钴容易浸出，导致材料催化性能变差，也容易给水体环境带来二次污染，因而难以广泛用于活化过硫酸盐，不利于实现对水体环境的有效净化。因此，获得一种比表面积高、活性位点均匀、原子利用率高、稳定性好的单原子钴负载氮化碳催化剂，对于实现高效活化过硫酸盐降解有机污染物具有重大意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比表面积高、活性位点均匀、原子利用率高、稳定性好的单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，以及该单原子钴负载氮化碳催化剂在降解有机污染物废水中的应用。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案。
[0007]一种单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、将2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液、三聚氰胺溶液混合，搅拌，得到2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱体悬浮液；
[0009]S2、将步骤S1得到的2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱体悬浮液与钴盐水溶液混合，搅拌，得到负载钴盐的超分子前驱体；
[0010]S3、将步骤S2得到的负载钴盐的超分子前驱体进行煅烧，得到单原子钴负载氮化碳催化剂。
[0011]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶
液中2
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甲基咪唑、三聚氰酸的摩尔比为0.5～2.0∶2.0～3.0。
[0012]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液中的三聚氰酸和所述三聚氰胺溶液中的三聚氰胺的摩尔比为2.0～3.0∶2.0～3.0。
[0013]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液中的三聚氰酸和所述钴盐水溶液中的钴盐的摩尔比为2.0～3.0∶0.5～2.0，所述钴盐水溶液为硝酸钴水溶液。
[0014]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液由2
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甲基咪唑和三聚氰酸分散于水中制得，所述2
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甲基咪唑、三聚氰酸与水的摩尔体积比为0.5mmol～2.0mmol∶2.0mmol～3.0mmol∶20mL～45mL，所述三聚氰胺溶液由三聚氰胺分散于水中制得，所述三聚氰胺与水的摩尔体积比为2.0mmol～3.0mmol∶20mL～45mL，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液和三聚氰胺溶液的体积比为1∶1。
[0015]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S2中，所述2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱体悬浮液与钴盐水溶液的体积比为8～20∶1～4；所述搅拌的时间为700min～950min，所述搅拌的转速为500r/min～800r/min，所述搅拌后还包括以下处理：对搅拌产物进行过滤，将过滤产物依次采用水、乙醇洗涤，干燥。
[0016]上述的制备方法，进一步改进的，步骤S3中，所述煅烧的温度为500℃～600℃，所述煅烧的时间为120min～240min，所述煅烧过程中升温速率为2℃/min～10℃/min，所述煅烧在惰性气氛下进行，所述惰性气氛的流速为10mL/min～40mL/min，所述惰性气氛为氮气。
[0017]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种单原子钴负载氮化碳催化剂，包括氮化碳和单原子钴；所述单原子钴负载在氮化碳表面，所述单原子钴负载氮化碳催化剂为类珊瑚骨架状结构。
[0018]上述的单原子钴负载氮化碳催化剂，由上述的制备方法制得。
[0019]作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的单原子钴负载氮化碳催化剂在降解有机污染物废水中的应用。
[0020]上述的应用，进一步改进的，包括以下步骤：将单原子钴负载氮化碳催化剂与有机污染物废水混合，加入过硫酸盐溶液，进行催化降解反应，完成对废水中有机污染物的降解；所述单原子钴负载氮化碳催化剂与有机污染物废水的质量体积比为5mg～20mg∶100mL，所述过硫酸盐溶液与有机污染物废水的体积比为0.25mL～0.75mL∶100mL，所述有机污染物废水中有机污染物的浓度为5mg/L～20mg/L，所述过硫酸盐溶液的浓度为100mmol/L～200mmol/L。
[0021]上述的应用，进一步改进的，所述过硫酸盐溶液中过硫酸盐为过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸氢钾复合盐中的至少一种，所述有机污染物废水中有机污染物为抗生素，所述抗生素为磺胺甲恶唑、盐酸四环素、卡马西平、对乙酰氨基苯酚中的至少一种，所述混合在搅拌条件下进行，所述搅拌的时间为30min～60min，所述催化降解反应的时间为10min～40min，所述催化降解反应的温度为20℃～30℃。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0023](1)本专利技术提供了一种单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，通过空间限域、配体螯合的策略成功制备了单原子钴负载氮化碳催化剂，首先，将2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液和三聚氰胺溶液混合进行超分子自组装，得到2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱
体，其中，2
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甲基咪唑作为一个配体存在，将其均匀的分散在材料表面，能够在后期对金属钴起到强螯合作用；然后，加入钴盐水溶液，通过配位作用将钴离子镶嵌在2
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液、三聚氰胺溶液混合，搅拌，得到2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱体悬浮液；S2、将步骤S1得到的2
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甲基咪唑配体掺杂的超分子前驱体悬浮液与钴盐水溶液混合，搅拌，得到负载钴盐的超分子前驱体；S3、将步骤S2得到的负载钴盐的超分子前驱体进行煅烧，得到单原子钴负载氮化碳催化剂。2.根据权利要求1所述的单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液中2
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甲基咪唑、三聚氰酸的摩尔比为0.5～2.0∶2.0～3.0。3.根据权利要求2所述的单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液中的三聚氰酸和所述三聚氰胺溶液中的三聚氰胺的摩尔比为2.0～3.0∶2.0～3.0。4.根据权利要求3所述的单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S2中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液中的三聚氰酸和所述钴盐水溶液中的钴盐的摩尔比为2.0～3.0∶0.5～2.0，所述钴盐水溶液为硝酸钴水溶液。5.根据权利要求1～4中任一项所述的单原子钴负载氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液由2
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甲基咪唑和三聚氰酸分散于水中制得，所述2
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甲基咪唑、三聚氰酸与水的摩尔体积比为0.5mmol～2.0mmol∶2.0mmol～3.0mmol∶20mL～45mL，所述三聚氰胺溶液由三聚氰胺分散于水中制得，所述三聚氰胺与水的摩尔体积比为2.0mmol～3.0mmol∶20mL～45mL，所述2
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甲基咪唑与三聚氰酸的混合溶液和所述三聚氰胺溶液的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋龙波，魏瑞兰，李文琴，杨锦娟，周绍宇，袁兴中，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：