一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法技术

本发明专利技术涉及污水处理领域，且公开了一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂，包括铁源、添加量为0.01～0.06mol的2

【技术实现步骤摘要】
一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法


[0001]本专利技术涉及污水处理领域，具体为一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法。

技术介绍

[0002]在过去的几十年里，新兴难降解有机化合物释放到水环境中造成的水污染已成为一个备受关注的环境问题。大多数的有机污染物，如合成染料，环境激素，医药品和农药等，由于累积的生物效应，即使在微量浓度下对水生生物和人类也有毒性作用，为了去除这些难降解污染物，水处理过程中资源和能源的过度消耗不可避免，这已成为制约现有水处理技术发展的瓶颈，水体复合微污染是当前水质安全面临的科学挑战。因此，突破传统观念，开发高效、低能耗的新型水处理技术迫在眉睫。
[0003]近年来，学者们研究发现，通过阳离子
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π作用构建催化剂表面微电场形成极化中心，能有效利用污染物的电子供给氧化剂定向还原产生具有强氧化性的羟基自由基，不仅在很大程度上提高了污水处理效率，也减少了氧化剂的过度消耗。这些研究表明通过催化剂结构调控来解决应用阶段能量过度消耗问题具有重大的前景。此外，当前多相催化剂的制备也常是资源型和能源型消耗的过程，这并不符合可持续发展的目标。而研究表明粪便中含有大量的有机物质，可充当催化剂制备过程的氮源和聚合体前驱体。因此，利用粪便作为原料制备催化剂，可能是一种既能解决实际粪便处理问题，又能降低水处理能耗的创新策略，为此我们提出了一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法。

技术实现思路

[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法，解决了上述的问题。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述所述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂，包括铁源、添加量为0.01～0.06mol的2
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甲基咪唑、添加量为0.0016～0.0047mol的锌盐、添加量为0.5～8g的尿素、水以及添加量为1～7g的前驱体蚕沙；
[0008]铁源中铁离子的添加量为0.0020～0.0060mol，铁源为三氯化铁六水合物、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种；
[0009]锌盐包括无水氯化锌、醋酸锌、硫酸锌、硝酸锌六水合物中的至少一种。
[0010]优选的，所述锌盐添加量为0.0021mol，锌盐为硝酸锌六水合物；
[0011]2‑
甲基咪唑的添加量为0.04mol；
[0012]尿素的添加量为4g；
[0013]前驱体蚕沙的添加量为4.5g。
[0014]当蚕沙的添加量＜4.5g时，前驱体含量过低，所烘干的固体颗粒A表面呈褐色，所
合成的目标催化剂(Fe
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Zn
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NC@NG)表面氧化物过多，催化活性较差；当蚕沙的添加量＝4.5g时，所烘干的固体颗粒A表面呈黑色，活性铁物种能够均匀掺杂到基底并与之发生化学键合，形成具有强表面势能的微电场，所合成的目标催化剂(Fe
‑
Zn
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NC@NG)对污染物的催化性能最佳；当蚕沙的添加量＞4.5g时，前驱体含量过高，所合成的目标催化剂(Fe
‑
Zn
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NC@NG)孔状结构相对不发达，活性位点较少，催化剂活性差。
[0015]一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0016]S1：将铁源加入20ml水中均匀搅拌形成溶液A；
[0017]S2：将2
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甲基咪唑、锌盐、2～20ml溶液A和尿素加入10～80ml水中搅拌均匀，形成溶液B；
[0018]S3：将前驱体蚕沙加入溶液B中磁力搅拌0.5～4h，形成分散液A；
[0019]S4：将分散液A置于烘箱中静置烘干，烘干温度为30～100℃，烘干时间为12～72h，得到固体颗粒A；
[0020]S5：将固体颗粒A置于管式炉中于N2氛围下焙烧，自然降温后获得固体产物A；
[0021]S6：将固体产物A水洗三次，置于烘箱烘干，烘干温度为60～120℃，烘干时间为6～36h，获得所述铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂Fe
‑
Zn
‑
NC@NG。
[0022]优选的，所述S2中溶液A的添加量为10ml，水的添加量为20ml。
[0023]当所加入的溶液A的添加量＜10ml时，铁物种的掺杂量过低，所合成的目标催化剂(Fe
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Zn
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NC@NG)催化活性较差；当所加入的溶液A的体积＞10ml时，铁物种的掺杂量过高，所合成的目标催化剂(Fe
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Zn
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NC@NG)质地较硬，且外观略呈灰色，催化剂活性偏低且反应过程铁物种易脱落，溶出较多；当所加入的溶液A的体积＝10ml时，活性铁物种能均匀掺杂到以ZIF
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8金属有机框架为模板生长的多孔碳氮聚合体中并与之发生键连，所合成的目标催化剂(Fe
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Zn
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NC@NG)对污染物的催化降解活性及适应性最好。
[0024]优选的，所述S3中的磁力搅拌时间为1h。
[0025]优选的，所述S4中的烘干温度为60℃，烘干时间为24h。
[0026]优选的，所述S5中的焙烧的温度为550～1000℃，焙烧的时间为1～4h，升温速率为2～15℃/min。升温速率过快会导致催化剂表面Fe物种迅速团聚形成铁氧化物，并且模板剂和前驱体迅速碳化，不利于前驱体转化形成掺氮类石墨烯结构；而缓慢升温，利于逐渐去除Fe
‑
Zn
‑
NC@NG固体产物中的微量吸附水，使其活性物种得以分散变性，并通过化学键合均匀地掺杂到掺氮类石墨烯结构中，目标催化剂颗粒均匀，呈黑灰色。
[0027]优选的，所述S6中的烘干温度为60℃，烘干时间为24h。
[0028]本专利技术还提供了根据上述方法制备得到铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂，其结构中碳化的ZIF
‑
8模板剂和碳氮聚合体之间通过N
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Zn
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O
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C键桥相连，该复合有机聚合物与活性铁物种之间形成C
–
O
‑
Fe和C
‑
N
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Fe化学配位键。基于这种特殊的结构特性，NC@NG上的π电子被活化并通过这些化学键桥迁移集中在铁物种的外围，形成电子高密度区域，而NC@NG附近则形成电子低密度区域，从而在Fe
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Zn
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NC@NG表面形成了一个强壮且稳定的微电场，其表面势能可达6440.51～6477.58kJ/mol。在这种强表面势能的作用下，表面微电场易于与表面吸附的水分子或者有机污染物发生强轨道相互作用，通过电子离域效应降低了这些分子的化学键能。在氧气等弱电子受主的协助下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂，其特征在于，包括铁源、添加量为0.01～0.06mol的2
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甲基咪唑、添加量为0.0016～0.0047mol的锌盐、添加量为0.5～8g的尿素、水以及添加量为1～7g的前驱体蚕沙；铁源中铁离子的添加量为0.0020～0.0060mol，铁源为三氯化铁六水合物、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种；锌盐包括无水氯化锌、醋酸锌、硫酸锌、硝酸锌六水合物中的至少一种。2.根据权利要求1所述的一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂及制备方法，其特征在于：所述锌盐添加量为0.0021mol，锌盐为硝酸锌六水合物；2
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甲基咪唑的添加量为0.04mol；尿素的添加量为4g；前驱体蚕沙的添加量为4.5g。3.一种铁锌共掺杂碳氮聚合体多孔催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将铁源加入20ml水中均匀搅拌形成溶液A；S2：将2
‑
甲基咪唑、锌盐、2～20ml溶液A和尿素加入10～80ml水中搅拌均匀，形成溶液B；S3：将前驱体蚕沙加入溶液B中磁力搅拌0.5～4h，形成分散液A；S4：将分散液A置于烘箱中静置烘干，烘干温度为30～100℃，烘干时间为12～72h，得到固体颗粒A；S5：将固体颗粒A置于管式炉中于N2氛围下焙烧，自然降温后获得固体产物A；S6：将...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春，王裕猛，吕来，廖威翔，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：