一种g-C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于催化剂制备技术领域，公开一种g

【技术实现步骤摘要】
一种g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于催化剂制备
，具体涉及一种g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]有机污染物(如抗生素、农药等)造成的水环境污染威胁着人类健康和水生生物的安全。因此，探索高效去除有机污染物的方法是一个亟待解决的问题。基于活化过一硫酸盐(Peroxymonosulfate，PMS)的高级氧化技术是通过产生大量氧化能力强的活性物种(SO4‑
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、HO
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、1O2和O2‑
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)来分解有机污染物，具有高效、操作简单、耐受极端环境等优点，目前受到了广泛的关注和研究。
[0003]PMS需要借助热、紫外、过渡金属催化等方式，使其中的O
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O键断裂，生成氧化能力强的活性物种，从而实现污染物的高效降解。过渡金属Mn、Fe和Co是活化PMS的有效催化剂，但传统过渡金属催化剂多以纳米颗粒或原子簇的形式存在，仅有催化剂表面的过渡金属能参与催化反应，导致催化剂的利用率低、活性位点不足，催化活性降低。单原子催化剂能有效地解决这一问题。单原子催化剂是将金属以分散的单个原子形式负载在固体载体表面的一种新型催化剂，原子利用效率高，且大大增加了活性位点的数量，能大幅度地提高活化PMS的效率。
[0004]单原子催化剂的制备条件比金属纳米粒子、金属簇苛刻得多，这是因为单原子催化剂中孤立的金属原子具有更高的表面能，金属原子易于聚集而失去单原子的结构。为了使单原子稳定地存在，通常需要将单原子负载在载体上。石墨相氮化碳(g
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C3N4)是一种优异的负载单原子的载体，这是由于g
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C3N4含有均匀的富电子N原子和用于牢固捕获过渡金属的“六倍腔”，负载于其上的单原子可以通过形成“金属
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N”键被稳定。目前已有少量的研究将过渡金属单原子负载于g
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C3N4上，主要有“溶剂热
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洗涤
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煅烧法”、“沉淀
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水浴振荡
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研磨
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煅烧法”、“球磨
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洗涤
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研磨
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煅烧法”。例如Zhao等(Chemical Engineering Journal 430(2022)132937)通过“溶剂热
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洗涤
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煅烧法”制备了Fe单原子/g
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C3N4催化剂。该方法除必需的含Fe原料和生成g
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C3N4的试剂外，还需要额外使用三聚氰酸试剂和二甲基亚砜溶剂，洗涤过程需要乙醇和水；步骤复杂，溶剂热中金属单原子的前驱液和g
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C3N4的前驱液需要分别配备后再混匀。另增加了洗涤步骤，即用大量的乙醇和水反复洗涤3次，再烘干12小时。周怀中等(周怀中，等.环境污染与防治，2022)通过“沉淀
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水浴振荡
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研磨
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煅烧法”制备得Co单原子/g
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C3N4催化剂。该方法需要额外增加2
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甲基咪唑作为助剂，甲醇、乙醇和水作为溶剂；实验步骤复杂，采用沉淀法制备Co前驱体，采用水浴振荡法制备g
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C3N4前驱体，之后将两种前驱体在有机试剂乙醇中研磨混合，后续煅烧过程需要惰性气体N2保护。Peng等(Chemical Engineering Journal 427(2022)130803)使用“球磨
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洗涤
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研磨
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煅烧法”四步法制备出Fe单原子/g
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C3N4催化剂。该方法需要先采用球磨方法制备Fe前驱体，且球磨过程中需要加入有机试剂PVP、2
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甲基咪唑作为助剂，并且需要引入有机溶剂甲醇。球磨结束后，需要额外添加“洗涤”过程，即乙醇清洗、离心，循环5次。综上所述，现有的方法仅适用于制备含有一种
金属中心的单原子催化剂，不能同步制备出含有两种或三种金属单原子中心的单原子催化剂。而且，现有的单一金属中心的单原子制备方法，采用的试剂除了必须的含Mn、Fe、Co的原料和生成g
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C3N4的试剂外，还需额外加入助剂、溶剂(水或有机溶剂)等，因此也导致了制备方法步骤复杂、反应时间长、成本高等缺点。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提供一种g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法及应用，该方法能实现在g
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C3N4上负载Mn、Co与Fe中的一种、两种或三种单原子，三种金属单原子可按照种类随机组合，质量比在一定范围内随机调整；且制备方法简单、试剂种类少、无助剂、无溶剂(水或有机溶剂)、煅烧过程不需惰性保护气、成本低、绿色环保，该催化剂活化PMS具有高效降解有机污染物的性能。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0008]将过渡金属Mn、Fe与Co化合物中的一种、两种或三种与碳氮有机物球磨，得到均匀分散的前驱体；将均匀分散的前驱体在500～580℃下煅烧3～5h，得到g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂。
[0009]进一步的，Mn化合物为乙酰丙酮锰或乙酸锰，Co化合物为乙酸钴、硝酸钴或乙酰丙酮钴，Fe化合物为乙酰丙酮铁、硝酸铁或氯化铁。
[0010]进一步的，碳氮有机物为尿素或三聚氰胺。
[0011]进一步的，过渡金属Mn、Fe与Co化合物中的一种、两种或三种的总量与碳氮有机物的质量比为0.001:1～0.2:1。
[0012]进一步的，球磨的转速为300～600rpm，球磨时间为2～5h。
[0013]进一步的，球磨时采用的球磨珠粒径为1mm、3mm、6mm和10mm。
[0014]进一步的，粒径为1mm、3mm、6mm和10mm的球磨珠的数量比为2:10:5:1。
[0015]进一步的，煅烧时的升温速率为1～10℃/min。
[0016]进一步的，煅烧时将均匀分散的前驱体放入坩埚内，采用铝箔包覆坩埚。
[0017]一种根据如上所述方法制备的g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂在活化PMS降解有机污染物中的应用。
[0018]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：
[0019]本专利技术中通过采用过渡金属Mn、Fe与Co化合物中的一种、两种或三种作为原料，能够实现g
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C3N4负载一种、两种或三种过渡金属单原子中心，三种金属单原子可按照种类随机组合，质量比在一定范围内随机调整，克服了现有技术多适用于制备含有一种金属中心的单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将过渡金属Mn、Fe与Co化合物中的一种、两种或三种与碳氮有机物球磨，得到均匀分散的前驱体；将均匀分散的前驱体在500～580℃下煅烧3～5h，得到g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂。2.根据权利要求1所述的g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，Mn化合物为乙酰丙酮锰或乙酸锰，Co化合物为乙酸钴、硝酸钴或乙酰丙酮钴，Fe化合物为乙酰丙酮铁、硝酸铁或氯化铁。3.根据权利要求1所述的g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，碳氮有机物为尿素或三聚氰胺。4.根据权利要求1所述的g
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C3N4负载过渡金属单原子催化剂的制备方法，其特征在于，过渡金属Mn、Fe与Co化合物中的一种、两种或三种的总量与碳氮有机物的质量比为0.001:1～0.2:1。5.根据权利要求1所述的g
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C3N...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈美娟，杨彤曦，付莉娟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：