一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料及其制备方法与应用技术

一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料及其制备方法与应用，具体方法如下：将纤维素与尿素混合均匀，控制纤维素质量占比为2～20%，将混合物置于马弗炉中于500～600℃一步热解，所得产物即为纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。该催化材料以碳材料为承托，石墨相氮化碳负载在其上面，分散性大幅度提升，暴露出更多活性位点，在无紫外或可见光催化条件下实现高效活化过一硫酸盐PMS降解水环境中氧氟沙星，能够适应较广的pH范围，抵抗背景氯离子和腐殖酸的影响，具有较优的重复利用性。本发明专利技术原料易得且经济环保，一步热解法操作简便可重复性强，实际应用范围广。实际应用范围广。实际应用范围广。

【技术实现步骤摘要】
一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料及其制备方法与应用


[0001][0002]本专利技术涉及功能性复合材料
，具体涉及一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料及其制备方法与应用。

技术介绍

[0003][0004]氧氟沙星（OFL）作为一种氟喹诺酮类抗生素，被广泛应用于医药领域，通过人体代谢、医药废水等途径排放至环境中。由于其难生物降解、污水处理厂处理系统难以将其完全去除，对水环境和人体健康产生危害。
[0005]高级氧化技术是去除水中抗生素的传统处理技术之一。目前常见的高级氧化技术包括芬顿氧化、光催化氧化、臭氧氧化和电化学氧化法，上述氧化技术通过体系中产生的羟基自由基具有较强的氧化性，有效去除难生物降解的有机污染物。过硫酸盐（PS）高级氧化技术相比于传统的基于羟基自由基的高级氧化技术，反应稳定性更高，对污水适应性更强，所使用的过硫酸盐更便于储存和运输，近年来被研究者广泛关注。常用的过硫酸盐有过一硫酸盐（PMS）和过二硫酸盐（PDS），其中，PMS为不对称结构，相较于PDS更易被活化。研究表明，紫外、热、碱及过渡金属等可以活化过硫酸盐，但是上述活化方式存在耗能大、成本高、反应条件苛刻或重金属二次污染等缺点。因此，开发新型的活化剂成为过硫酸盐高级氧化技术研究的热点。
[0006]石墨相氮化碳（g
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C3N4）是一种共轭聚合物半导体，具有稳定性高、无毒、耐酸碱等特点，相对较窄的带隙（约2.7eV）赋予了其优越的光吸收能力，因此通常作为光催化剂使用。g
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C3N4富含丰富的碳元素和氮元素，近年来也被尝试用作PMS的活化剂，但是活化性能普遍较差，因此有必要开发一种新型石墨相氮化碳复合材料用于无光催化条件下活化PMS降解水中氧氟沙星。

技术实现思路

[0007][0008]解决的技术问题：针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料及其制备方法与应用，该催化材料以碳材料为承托，石墨相氮化碳负载在其上面，分散性大幅度提升，暴露出更多活性位点，在无紫外或可见光催化条件下实现高效活化PMS降解水环境中氧氟沙星，具有较优的重复利用性。本专利技术原料易得且经济环保，一步热解法操作简便可重复性强，实际应用范围广。
[0009]技术方案：一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料的制备方法，步骤如下：将纤维素与尿素混合均匀，控制纤维素质量占比为2～20%，将混合物置于马弗炉中于500～600℃一步热解，所得产物即为纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。
[0010]作为优选，控制纤维素质量占比为4%。
[0011]作为优选，将纤维素与尿素混合均匀后转移至带盖陶瓷坩埚中，然后置于马弗炉中热解。
[0012]作为优选，将混合物置于马弗炉中以5～10℃/min的升温速率，从室温升至热解温度500～600℃，并在该温度下保持1～3h，然后待其自然冷却，取出后置于干燥器中保存，所得产物即为纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。
[0013]作为优选，将混合物置于马弗炉中以5℃/min的升温速率，从室温升至热解温度550℃，并在该温度下保持3h，然后待其自然冷却，取出后置于干燥器中保存，所得产物即为纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。
[0014]基于上述方法制备的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。
[0015]基于上述纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料在无光催化条件下活化PMS去除水环境中氧氟沙星中的应用，其中，纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料建议使用最佳浓度为0.1
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1g/L，对应PMS浓度为1～10mmol/L，氧氟沙星浓度为5～20mg/L。
[0016]有益效果： 1.区别于其他碳材料与石墨相氮化碳的复合，本专利技术采用50μm商业纤维素作碳源，直接同尿素（脲）进行混合，一步热解即得，不仅原料易得、纯净、价格低廉，且无须复杂的前处理，所述方法简便经济，可重复性更高，且对环境友好。
[0017]2.区别于现有技术中制备的催化材料能适应的pH范围较窄，在酸性或碱性条件下降解率较低，本专利技术所提供的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料适应范围广，在pH值为3～12的范围内均能高效活化PMS，完成对氧氟沙星完全降解，且不受背景水体中氯离子和腐殖酸（HA）的影响，甚至在氯离子存在的情况下，氧氟沙星的降解得到促进。
[0018]3.区别于原始石墨相氮化碳及石墨相氮化碳复合材料需要在紫外或可见光催化作用下对过硫酸盐的活化，无紫外或可见光催化作用下能力较差的情况，本专利技术中的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料，无须光催化作用，即能高效活化PMS，在120min处将氧氟沙星降解完全。
[0019]4.本专利技术所提供的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料具有较优的稳定性，经过五次循环利用后，氧氟沙星最终降解率仍能够达到94.6%。
附图说明
[0020][0021]图1为实施例1所制备的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料（4%CEB550/g
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C3N4）与对比例1和2分别制备的原始纤维素生物炭和石墨相氮化碳的扫描电镜图，图中（a）为对比例1制备的原始纤维素生物炭CEB550扫描电镜图，（b）为对比例2制备的石墨相氮化碳g
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C3N4扫描电镜图，（c）为实施例1制备的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料4%CEB550/g
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C3N4扫描电镜图。
[0022]图2为本专利技术实施例1、对比例1和对比例2所制备的三种碳材料中氮元素和氧元素的X射线光电子能谱（XPS）图，图中（a）为对比例2所制备的g
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C3N4的N1s谱图，（b）为实施例1所制备的4%CEB550/g
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C3N4的N1s谱图，（c）为本专利技术实施例1、对比例1和对比例2所制备的三种材料的O1s谱图。
[0023]图3为实施例1以及对比例1和2所制备的碳材料对氧氟沙星降解效率对比图。
[0024]图4为实施例1和2所制备的不同纤维素质量比的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料对氧氟沙星降解效率对比图。
[0025]图5为实施例1和3所制备的不同温度下煅烧的纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料活化PMS降解氧氟沙星效能对比图。
[0026]图6为本专利技术实施例1所提供的4%CEB550/g
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C3N4在不同pH条件下对氧氟沙星的降解效率。
[0027]图7为氯离子和腐殖酸存在时对本专利技术实施例1所提供的4%CEB550/g
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C3N4降解氧氟沙星的影响，图中（a）为不同浓度氯离子对本专利技术实施例1所提供的4%CEB550/g
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C3N4降解氧氟沙星的影响，（b）为不同浓度腐殖酸（HA）对本专利技术实施例1所提供的4%CEB550/g
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C3N4降解氧氟沙星的影响。
[0028]图8为本专利技术实施例1所提供的4本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料的制备方法，其特征在于，步骤如下：将纤维素与尿素混合均匀，控制纤维素质量占比为2～20%，将混合物置于马弗炉中于500～600℃一步热解，所得产物即为纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料。2.根据权利要求1所述的一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料的制备方法，其特征在于，控制纤维素质量占比为4%。3.根据权利要求1所述的一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料的制备方法，其特征在于，将纤维素与尿素混合均匀后转移至带盖陶瓷坩埚中，然后置于马弗炉中热解。4.根据权利要求1所述的一种纤维素生物炭负载石墨相氮化碳催化材料的制备方法，其特征在于，将混合物置于马弗炉中以5～10℃/min的升温...

【专利技术属性】
技术研发人员：史宸菲，徐娜，王国祥，胡凯，汪昊睿，郑楮，
申请(专利权)人：南京师范大学，
类型：发明
国别省市：