一种α或γ-Fe改性Fe-N-C材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种α或γ

【技术实现步骤摘要】
一种
α
或
γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及废水处理
，具体为一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]高级氧化工艺(AOPs)可以在短时间内产生强氧化自由基，被认为是深度处理废水中难降解有机污染物最有前途的技术之一。根据AOPs中氧化剂的不同，可以分为芬顿反应、臭氧催化和过硫酸盐活化三类。在这些方法中，芬顿反应是通过使用亚铁离子和过氧化物的组合产生羟基自由基(
·
OH)的经典方法，到目前为止，为了加速Fe
2+
/Fe
3+
的循环和提高催化效率，已经广泛构建了各种纳米材料。除此之外，臭氧还被用作氧化剂，与多相催化剂反应，以环保的工艺生产反应性物质，然而，气态臭氧与催化剂的界面接触不足通常会抑制反应的发生，这仍然是一个巨大的挑战。相比之下，固体过硫酸盐可以表示为过氧一硫酸盐(PMS)和过氧二硫酸盐(PDS)，具有很好的稳定性和溶解性，易于储存和运输，因此过硫酸盐活化被认为是一种有前景的污染净化方法。令人兴奋的是，与普通自由基相比，具有更强氧化能力(2.5
‑
3.1V)、更长存在时间(30
‑
40μs)和更好pH适应性(2.0
‑
12.0)的硫酸盐自由基(SO4·
‑
)可以随着PMS/PDS的同裂解或异裂解而快速生成，然而自由基的产率仍然不足，化学活化被认为是促进自由基产生的有效方法。为了平衡更好的活化性能和更少的金属离子泄漏之间的权衡关系，人们广泛研究了具有不同尺寸、结构和组分的各种金属基多相催化剂的制备，但实际应用仍无法实现。近年来，碳催化激发了人们对过硫酸盐活化的极大兴趣，因为碳材料具有低成本、高地球丰度、多功能电子结构和高比表面积的优点，此外，它可以避免严重的金属离子泄漏，同时表现出可观的过硫酸盐活化性能。据报道，B、N、P和S等非金属杂原子的修饰能够破坏碳的化学惰性，调整电子和自旋培养物，并为sp2杂化碳网络创造丰富的活性位点，这激发了许多研究，以获得用于可持续消毒和水修复过程的高活性碳催化剂。然而，碳骨架尚未完全激活，碳基催化剂的催化性能还有很大的提升空间，未来需要深入探索。
[0003]金属和氮共掺杂的碳材料(M
‑
N
‑
C，M表示Fe、Co、Ni等)由于其独特的电子结构和100％的理论原子利用率，在过去十年中成为能源转换和环境催化领域具有吸引力的高性能催化剂，M通常与几个N配位以形成原子分散的MN
x
位点，并且N连接到碳原子。在AOPs中，最近研究表明，具有金属卟啉类结构的MN
x
是强大的催化位点，其过硫酸盐活化性能甚至可以超过传统金属或碳材料。在高温下热解金属前体和有机配体或碳载体的混合物是制造M
‑
N
‑
C催化剂的常用策略，并且在该过程中的关键挑战是原子分散的MN
x
位点的产生不可避免地伴随着聚集的含金属颗粒的共存。为了缓解这一现象，研究人员开发了具有多孔结构的多种碳材料，如生物质、金属有机框架(MOFs)、碳纳米管和石墨烯作为载体，以促进MN
x
的分散，这在许多研究中都有很好的记录。此外，通常需要热解处理后的酸蚀刻工艺来完全去除不溶性含金属颗粒，以获得具有专属MN
x
位点的高纯度催化剂，这可能源于含金属颗粒的活性低于原子分散的MN
x
位点，因此对反应的贡献较小。因此，在以前的工作中，共存的含金属
颗粒对催化性能的影响很容易被忽视和低估。然而，据报道，含金属颗粒和MN
x
的组合可能对增强催化剂性能产生积极的协同作用甚至改变反应途径，这引起了研究人员的一些兴趣。例如，Jiang等人揭示了不可避免地引入的Fe/Fe3C在调节相邻FeN
x
的电子结构和增强电化学活性方面发挥着至关重要的作用。Sun等人在3D碳基质中用低结晶的Fe3C
‑
Fe纳米复合材料构建原子分散的FeN
x
，并发现电催化的增强可归因于更高的氧吸附能。类似地，Li的小组揭示了Fe
x
C的存在可以通过降低共吸附O2和1，2，3，4
‑
四氢喹啉的吸附能和改变N
‑
H键长来诱导电荷转移并增强FeNx结构的活性。后来，Ma等人报告称，Fe纳米团簇在Fe单原子附近的共存可以显著提高使用空气作为氧化剂将伯胺有氧氧化为亚胺化合物的性能。然而，令人遗憾的是，就MN
x
与含金属颗粒的协同作用而言，这些例子只涵盖了电化学催化和生物质转化领域，过硫酸盐活化和去除污染物的相关研究是非常可取的，但仍有待研究。

技术实现思路

[0004]针对上述
技术介绍
中提出的不足，本专利技术提供了一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法及类芬顿性能应用。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0006]S1、合成Fe
‑
ZIF
‑8‑
x的前体；
[0007]S2、通过水热法用Fe
3+
取代类沸石结构中的部分Zn
2+
来获得Fe
‑
ZIF
‑8‑
x，以实现均匀的Fe掺杂；
[0008]S3、然后通过热解和酸洗步骤将ZIFs转化为Fe
‑
N
‑
C
‑
x催化剂。
[0009]优选的，合成Fe
‑
ZIF
‑8‑
x的前体具体步骤包括如下：
[0010]1)以Fe改性的沸石咪唑骨架
‑
8纳米晶体为前驱体，将2
‑
甲基咪唑溶于烧杯中的甲醇中，并用A溶液标记此溶液；
[0011]2)在搅拌下将六水合硝酸锌和乙酰丙酮铁溶于另一烧杯中的甲醇中，以形成用B溶液标记的澄清溶液；
[0012]3)将B溶液倒入A溶液中，持续搅拌，将所得悬浮液转移到聚四氟乙烯容器中，密封严密，并在高压釜中加热；
[0013]4)冷却至室温后，离心沉淀，用甲醇洗涤，并干燥过夜，标记为Fe
‑
ZIF
‑8‑
x。
[0014]优选的，通过改变乙酰丙酮铁的量，用相同的步骤制备出Fe
‑
ZIF
‑8‑
1、Fe
‑
ZIF
‑8‑
2、Fe
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、合成Fe
‑
ZIF
‑8‑
x的前体；S2、通过水热法用Fe
3+
取代类沸石结构中的部分Zn
2+
来获得Fe
‑
ZIF
‑8‑
x，以实现均匀的Fe掺杂；S3、然后通过热解和酸洗步骤将ZIFs转化为Fe
‑
N
‑
C
‑
x催化剂。2.根据权利要求1所述的一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法，其特征在于：合成Fe
‑
ZIF
‑8‑
x的前体具体步骤包括如下：1)以Fe改性的沸石咪唑骨架
‑
8纳米晶体为前驱体，将2
‑
甲基咪唑溶于烧杯中的甲醇中，并用A溶液标记此溶液；2)在搅拌下将六水合硝酸锌和乙酰丙酮铁溶于另一烧杯中的甲醇中，以形成用B溶液标记的澄清溶液；3)将B溶液倒入A溶液中，持续搅拌，将所得悬浮液转移到聚四氟乙烯容器中，密封严密，并在高压釜中加热；4)冷却至室温后，离心沉淀，用甲醇洗涤，并干燥过夜，标记为Fe
‑
ZIF
‑8‑
x。3.根据权利要求2所述的一种α或γ
‑
Fe改性Fe
‑
N
‑
C材料的制备方法，其特征在于：通过改变乙酰丙酮铁的量，用相同的步骤制备出Fe
‑
ZIF
‑8‑
1、Fe
‑
ZIF
‑8‑
2、Fe

【专利技术属性】
技术研发人员：马文杰，任晓慧，吴官正，
申请(专利权)人：盐城工学院，
类型：发明
国别省市：