一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂制造技术

本发明专利技术采用微波辅助一锅固体法构建尖晶石/多孔生物碳催化剂，并将其用于催化活化过氧单硫酸盐（PMS）高效降解有机污染物。采用850W家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α

【技术实现步骤摘要】
一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂


[0001]本专利技术涉及一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂。

技术介绍

[0002]生物质衍生碳材料具有可调的孔隙结构、可调节的表面化学性质和良好的热稳定性，在清洁能源储存和环境修复中具有特别的意义,纤维素的低成本和易获得性使其成为制备各种碳基材料的一个有吸引力的前体。生物质衍生碳基材料的形成主要涉及到纤维素的高温热解碳化，与传统热解相比，微波方法的优点包括非接触加热、低能耗以及选择性加热的可能性。到目前为止，由于生物质不是一种有效的微波吸收剂，生物质碳化的工作相当有限。因此设计微波吸收剂作为生物质衍生碳材料的一部分，以实现生物质和微波吸收剂的高效利用仍具有挑战性。
[0003]目前，有机污染物过量排放引起的水污染越来越受到世界各地的关注。人们探索了各种降解水中有机污染物的方法，如高级氧化、吸附、生物氧化和光降解等。传统的物理、化学和生化处理难以满足有机污染物降解的经济要求。芬顿类工艺作为有机废水处理最有前途的途径之一，近年来得到了广泛的研究。由于羟基自由基（
·
OH）、硫酸盐自由基（SO4·
−
）、超氧阴离子自由基（O2·
−
）和单氧（1O2），的氧化能力能高效降解或矿化有机污染物。此外，负载了过渡金属（Fe
2+
、Mn
2+
、Co
2+
和Cu
2+
）的催化剂可以有效地活化过氧单硫酸盐（PMS）产生大量的自由基。
[0004]化学吹制是一种通过成型过程中化学反应产生的挥发物发泡的方法。化学吹气剂具有在特定温度范围内的热分解特性，可以释放一种或多种气体，以实现对材料的孔径、密度和微观结构的控制。表面硫化改性已被证明是提高各种材料催化性能的有效方法，包括增强固体锂硫电池的反应性，提高金属在原位化学还原中的选择性，以及在污染物转化中减少金属的聚集。表面硫化后，表面硫化物可以作为PMS的有效电子供体，引发自由基链反应，诱导产生主要活性物质和其他活性中间体（
·
OH和SO4·
−
）来降解有机污染物。

技术实现思路

[0005]本专利技术以硝酸钴、硝酸铁、α
‑
纤维素、碳酸氢铵和硫脲为原料，直接使用研钵把所有的固体物混合均匀，采用微波热解法在850W下加热3分钟，制备改性尖晶石/多孔生物碳催化剂。专利技术提供的制备方法简单，制备时间短，可用于激活PMS降解有机污染物，催化剂容易回收利用。
[0006]本专利技术公开了一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，所采用的技术方案是：通过简单、超快的微波辅助一锅固态法，采用850W家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α
‑
纤维素、碳酸氢铵和硫脲固体混合物加热 3分钟，制备得到钴铁尖晶石和金属硫化物分散良好、富含氧空位和吡咯氮以及具有较大的比表面积的Sx
‑
CF@PC催
分钟；催化剂CF@PC微波照射条件同S1‑
CF@PC一致，但不加硫脲；催化剂S1‑
CF@C制备条件同S1‑
CF@PC微波照射条件一致，但不加碳酸氢铵；催化剂C制备方法是1g纤维素500℃氮氛围热解3小时制备；催化剂S1@C
500
是1g纤维素和1mmol硫脲混合物500℃氮气氛围热解3小时制备；催化剂CoFe2O4是2 mmol Co(NO3)2·
6H2O，4 mmol Fe(NO3)3·
9H2O的混合物500℃氮气氛围热解3小时制备；催化剂S1‑
CF是2 mmol Co(NO3)2·
6H2O，4 mmol Fe(NO3)3·
9H2O和1mmol硫脲的混合物500℃氮气氛围热解3小时制备。
[0015]图1(a)是S1‑
CF@PC的SEM图像，图1(b)是S1‑
CF@PC的TEM图像和粒径分布，图1(c)是S1‑ꢀ
CF@PC的HRTEM图像。通过扫描电子显微镜（SEM）发现，S1‑
CF@PC具有一个大孔的三维框架，由相互连接的超薄碳纳米片组成（图1a）。多孔结构S1‑
CF@PC的形成应归因于微波辅助下的化学吹制，其中硝酸钴/硝酸铁作为微波吸收剂，碳酸氢铵作为化学吹制剂。相比之下，传统的热解方法只能从结构致密的纤维素中获得结构致密、很少介孔、比表面积较小的生物碳。透射电子显微镜（TEM）图像显示，CoFe2O4纳米颗粒在碳纳米片表面的均匀分散，平均尺寸为23.1nm（图1b）。纳米粒子的高分辨率TEM（HRTEM）图像显示，典型的晶格间距分别为0.294和0.205 nm，这对应于CoFe2O4纳米晶体的（220）和（400）晶面（图1c）。0.260nm和0.196nm的晶格间距应归因于硫化亚铁纳米晶体（110）和硫化钴纳米晶体（102）。
[0016]图2是用X射线衍射（XRD）对所制备的催化剂S1‑
CF@C
500
、CF@PC、S1‑
CF@C、S
0.6
‑
CF@PC、S
0.8
‑
CF@PC、S1‑
CF@PC和S
1.2
‑
CF@PC的晶体结构进行的表征。图2中CF@PC的XRD衍射峰分别在30.0、35.4、43.5、57.2和62.7
o
，应对应于立方CoFe2O4相（JCPDF No. 22
‑
1086）的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面。对于表面硫化的Sx
‑
CF@PC（x = 0.6、0.8、1和1.2）、S1‑
CF@C和S1‑
CF@C
500
催化材料，在34.7
o
和46.8
o
处的衍射峰应解析为CoS相（JCPDF No. 65
‑
3418）的（002）和（102）晶面。同时，在33.89
o
和43.62
o
处的衍射峰应被归属为FeS相（JCPDF No. 75.0602）的（101）晶面和（103）晶面。与传统的S1‑
CF@C
500
相比，Sx
‑
CF@PC、S1‑
CF@C和CF@PC具有几乎是相同的峰，表明碳酸氢铵辅助化学吹制和硫脲辅助表面硫化对尖晶石CoFe2O4的晶体结构几乎没有影响。
[0017]图3是采用X射线光电子能谱（XPS）测定了具有代表性的S1‑
CF@PC、S1‑
CF@C
500
、S1‑
CF@C和CF@PC样品的表面组成和元素价态。与非表面硫化CF@PC相比，S1‑
CF@PC、S1‑
CF@C和S1‑
CF@C
500<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高效降解有机污染物的微波辅助改性尖晶石/多孔生物碳催化剂，其特征在于，通过简单、超快的微波辅助一锅固态法，采用850W家用微波炉将硝酸钴、硝酸铁、α
‑
纤维素、碳酸氢铵和硫脲固体混合物加热 3分钟，制备得到钴铁尖晶石和金属硫化物分散良好、富含氧空位和吡咯氮以及具有较大的比表面积的Sx
‑
CF@PC催化材料，其中碳酸氢铵的作用为辅助化学吹制，硫脲的作用为催化材料表面硫化；上述Sx
‑
CF@PC催化材料的制备步骤为：将2 mmol Co(NO3)2·
6H2O，4 mmol Fe(NO3)3·
9H2O、1gα
‑
纤维素、1g碳酸氢铵和x mmol硫脲（x =0.6、0.8、1.0和1.2）在研钵中均匀地混合。将得到的混合物置于25ml坩埚中，用850W家用微波炉微波照射3 分钟，得到Sx
‑
CF@PC催化剂；催化剂活化过氧单硫酸盐PMS降解有机污染物的反应步骤为：在含有50 mL 有机污染物的水溶液（20 mg/L）的反应器中加入0.16 g/L的催化剂。搅拌15 min达到吸附平衡...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋和雁，周倩，
申请(专利权)人：重庆工商大学，
类型：发明
国别省市：