一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法及其应用技术

一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法及其应用，涉及一种制备单原子催化剂的方法及其应用。本发明专利技术是要解决目前石墨相氮化碳由于氮含量较低以及缺陷复杂，导致单原子活性位点不均一和遮蔽活性位点的技术问题。本发明专利技术通过草酸的络合与氢键作用精准锚定单原子，避免了金属的大量流失与活性位点不均一的问题，开发了一种高负载量，最大原子利用率的铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂，具有较高的价值与应用前景，对于过硫酸盐高效降解水体中多种污染物具有重要意义。本发明专利技术还利用梯级固定策略铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂催化活化过硫酸盐降解水体中无机或有机污染物，催化活化效率高，降解效果显著，工艺简单。工艺简单。工艺简单。

【技术实现步骤摘要】
一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法及其应用


[0001]本专利技术涉及一种制备单原子催化剂的方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来随着工业的飞速发展水中有机物的含量急剧增加，在环境中产生了大量的有毒物质，这对人体健康和生态环境都有极大的威胁。氯酚类化合物由于其作为工业原料具有几大优势而被广泛应用于农药、化工、饮用水消毒等领域。氯酚类污染物是一个或者几个氯原子取代苯环不同位置的氢原子所形成的，是一类持久性很强的污染物。由于氯酚类污染物自身的π键与氯原子中的p电子易形成稳定的共轭体系，使得氯酚类污染物极难清除，导致传统的生物修复法、物理修复法和化学修复法对其降解效果并不显著。高级氧化技术是目前用于处理氯酚类污染物的主要手段。单原子催化剂由于其具有高活性、高原子利用率以及高选择性等特点，使其对有机和无机污染物的破坏作为解决环境危害的一种高效手段。作为解决环境危机的有效办法，单原子催化剂材料用于降解无机或有机污染物已被广泛研究。在单原子高级氧化工艺中，贵金属、过渡金属等单原子能够通过活化过一硫酸盐(PMS)、过二硫酸盐(PDS)以及H2O2高效降解无机或有机污染物。目前为止，已有很多单原子材料合成出来用于降解污染物，石墨相氮化碳(g
‑
C3N4)被认为是负载单原子的载体之一，但由于氮含量较低以及缺陷复杂，导致单原子活性位点不均一和遮蔽活性位点。

技术实现思路

[0003]本专利技术是要解决目前石墨相氮化碳由于氮含量较低以及缺陷复杂，导致单原子活性位点不均一和遮蔽活性位点的技术问题，而提供一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法及其应用。
[0004]本专利技术的通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法是按以下步骤进行的：
[0005]S1、将三聚氰胺、尿素和三聚氰酸在60℃～80℃分别溶解在去离子水中，将尿素溶液倒入三聚氰酸溶液中，搅拌5min～6min，得到透明混合液，然后将透明混合溶液倒入三聚氰胺溶液中形成乳白色液体，继续搅拌5min～6min，形成透明溶液为超分子前驱体；
[0006]所述的乳白色液体中三聚氰胺、尿素和三聚氰酸的质量比为(2.5～3.5):1:1；
[0007]在步骤中必须最后加入三聚氰胺，原因为：三聚氰胺熔点只有250℃左右，导致了三聚氰胺热聚合生成氮化碳之前存在熔融态，使最终获得的氮化碳为块状结构，熔融态的过程金属易于发生团聚，无法实现原子的负载；而尿素与三聚氰酸充分溶解以后的混合液可以通过分子间氢键形成超分子前驱体，进而提高三聚氰胺的熔点，避免热聚合中间的熔融态，为制备实现原子级负载提供可能；
[0008]S2、将九水合硝酸铁和草酸依次加入S1的透明溶液中，得到混合液；
[0009]所述的混合液中的铁离子的浓度为80mg/L～200mg/L；所述的草酸与三聚氰胺的
质量比为(0.8～1.2):3；
[0010]S3、通过旋转蒸发与草酸的络合和氢键作用调控金属离子负载在超分子前驱体，得到负载铁的超分子前驱体；
[0011]所述的旋转蒸发的温度为60℃～70℃，旋转至完全去除前驱体中的水分；
[0012]S4、将S3中制得的负载铁的超分子前驱体在保护气氛条件下煅烧，得到单原子铁负载超分子自组装氮化碳催化剂；
[0013]所述的煅烧温度为600℃～650℃，煅烧过程的升温速率程序为：在室温～60℃以1℃/min～3℃/min升温，在60℃～600℃以5℃/min～8℃/min升温；所述的煅烧时间为6h～8h。
[0014]本专利技术的梯级固定策略铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂内部结构中装备有单原子铁，单原子铁的质量为单原子催化剂的10％～15％。
[0015]本专利技术还提供了一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂在处理无机或有机物废水中的应用，活化过硫酸盐降解水体中无机或有机污染物，具体步骤如下：将过硫酸盐溶液与无机或有机污染物混合，充分搅拌使其分散均匀，加入通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂，继续搅拌进行催化氧化降解反应实现对水体中无机或有机污染物的降解。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的优点在于：
[0017]针对目前所报道的铁单原子负载氮化碳催化剂的制备方法中存在的制备耗时长、成本较高以及制得的催化剂反应活性位点少、金属原子利用率低、金属原子易团聚、催化活化效率低、循环稳定性差的技术问题，本专利技术提出了一种梯级固定策略使金属单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂的制备方法，采用搅拌与煅烧的方法制备催化活性优异的单原子铁负载超分子自组装氮化碳催化剂，具体来说将三聚氰胺、尿素和三聚氰酸在60℃溶解为无色透明溶液，随着三聚氰酸的加入溶液变为乳白色固溶状液体以说明三者混合均匀，其中氮原子具有固定的位点，使铁单原子周围的环境均一，随即利用九水合硝酸铁引入铁原子，有利于铁原子的分散均匀，在此基础上向铁负载的超分子前驱体氮化碳中加入草酸，通过草酸的络合和氢键作用精准调控金属离子的锚定，避免热缩聚过程中金属离子的大量损失与迁移，实现单原子位点原位取代金属离子的特点；随即进行旋转蒸发直至水分完全蒸干，最后通过煅烧将单原子铁成功锚定在超分子自组装氮化碳中，由此制备出了梯级固定策略铁单原子成功负载超分子自组装氮化碳催化剂。与常规方法相比，本专利技术通过控制九水合硝酸铁的用量可实现对铁单原子含量的控制，草酸的引入使单原子位点进行精准调控，更有利于提高催化剂的催化活性。
[0018]本专利技术设计了一种梯级固定策略使单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂合成方法，通过草酸的络合与氢键作用精准锚定单原子，避免了金属的大量流失与活性位点不均一的问题，开发了一种高负载量，最大原子利用率的铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂，具有较高的价值与应用前景，对于过硫酸盐高效降解水体中多种污染物具有重要意义。
[0019]本专利技术还提供了一种梯级固定策略使单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂在处理无机或有机污染废水中的具体应用。利用梯级固定策略铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂催化活化过硫酸盐降解水体中无机或有机污染物；将梯级固定策略铁单原
子负载在超分子自组装氮化碳催化剂与喹诺酮类、磺胺类和苯酚类废水混合通过加入过硫酸盐即可实现对上述污染物的高效降解，该方法具有操作简单，成本低，催化活化效率高，降解效果显著，工艺简单等优势。
附图说明
[0020]图1为试验一制备的梯级固定的铁单原子负载在超分子自组装氮化碳催化剂(Fe
‑
CN)和对比试验1制备的超分子自组装氮化碳CN的XRD图谱；
[0021]图2为对比试验2制备的g
‑
C3N4的SEM图；
[0022]图3为对比试验1制备的超分子自组装氮化碳CN的SEM图；
[0023]图4为试验一制备的单原子铁负载超分子自组装氮化碳催化剂Fe
‑
CN的SEM图；
[0024]图5为试验一制备的单原子铁负载超分子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法，其特征在于通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法是按以下步骤进行的：S1、将三聚氰胺、尿素和三聚氰酸在60℃～80℃分别溶解在去离子水中，将尿素溶液倒入三聚氰酸溶液中，搅拌5min～6min，得到透明混合液，然后将透明混合溶液倒入三聚氰胺溶液中形成乳白色液体，继续搅拌5min～6min，形成透明溶液为超分子前驱体；所述的乳白色液体中三聚氰胺、尿素和三聚氰酸的质量比为(2.5～3.5):1:1；S2、将九水合硝酸铁和草酸依次加入S1的透明溶液中，得到混合液；所述的混合液中的铁离子的浓度为80mg/L～200mg/L；所述的草酸与三聚氰胺的质量比为(0.8～1.2):3；S3、通过旋转蒸发与草酸的络合和氢键作用调控金属离子负载在超分子前驱体，得到负载铁的超分子前驱体；所述的旋转蒸发的温度为60℃～70℃，旋转至完全去除前驱体中的水分；S4、将S3中制得的负载铁的超分子前驱体在保护气氛条件下煅烧，得到单原子铁负载超分子自组装氮化碳催化剂；所述的煅烧温度为600℃～650℃，煅烧过程的升温速率程序为：在室温～60℃以1℃/min～3℃/min升温，在60℃～600℃以5℃/min～8℃/min升温；所述的煅烧时间为6h～8h。2.根据权利要求1所述的一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法，其特征在于S1中所述的三聚氰胺、尿素和三聚氰酸的质量比为3:1:1；溶解温度为60℃。3.根据权利要求1所述的一种通过梯级固定策略负载单原子制备单原子催化剂的方法，其特征在于S2中所述的草酸与三聚氰胺的质量比为1:3。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓芳，王振州，施洪鑫，宋迪，张龙帅，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：