[發明專利]一種高分散負載型納米金屬Fe基催化劑的制備方法

無效

• 申請號: 201310142664.7
• 申請日: 2013-04-23
• 公開（公告）號: CN103203234A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 李峰;房美;孫婷婷;范國利
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J23/745
• 分類號: B01J23/745;A62D3/38;A62D101/28
• 代理公司: 北京華誼知識產權代理有限公司 11207
• 代理人: 劉月娥

技術領域

本發明屬于Fe基催化劑技術領域，特別是涉及一種高分散負載型納米金屬Fe基催化劑的制備方法。該催化劑用于有機染料亞甲基藍的降解。

背景技術

芬頓(Fenton)試劑是由亞鐵離子(Fe²⁺)和過氧化氫(H₂O₂)組成的體系。它能生成強氧化性的羥基自由基，能夠快速地氧化難降解的有機物。芬頓試劑高級氧化技術一直受到國內外學者廣泛的關注。然而，均相芬頓催化劑存在很多缺點，例如Fe²⁺在溶液中形成鐵污泥造成二次污染，處理后廢水的色度增大，不容易回收且鐵的含量損失嚴重等。因此，如何將Fenton反應中的Fe²⁺固化，制備非均相催化劑是研究的重點之一。與傳統的均相體系相比，非均相芬頓催化劑具有易分離和重復利用的能力，能夠節約運行成本，同時避免鐵污泥的產生。到目前為止，已經有許多非均相芬頓催化劑被合成出來。例如在文獻Appl.?Catal.?B:?Environ.?2008?83：131-139中，Costa等制備出高活性的非均相Fe⁰/Fe₃O₄芬頓催化劑。但是，其中一些含Fe³⁺的催化劑由于反應較慢，必須通過紫外照射加速Fe³⁺還原為Fe²⁺，對于這種光助芬頓試劑需要更高的成本，而且催化劑要求對光是敏感的。值得注意的是，具有高比表面和高表面活性的鐵納米粒子催化劑能夠加速芬頓反應(Chem.?Eng.?J.,?2011,172:258-266?)，這是由于其在反應中能生成較高活性的Fe²⁺物種,?因此稱之為類芬頓催化劑。

碳納米材料由于具有特殊的結構和優良的性能,?如高比表面、較高的導電性、導熱性以及較高的機械強度和致密的結構，在催化劑載體、儲氫材料、電容器、傳感器和電屏蔽材料等領域被廣泛應用。其中碳納米管（CNTs）被認為是一個良好的催化劑載體。金屬不僅可以作為生長碳納米管的催化劑，其與碳納米管的結合形成的復合材料還具有優良的催化性能。與傳統的浸漬方法制備Fe/CNTs相比，利用過渡金屬Fe直接催化生長碳納米管，使金屬活性中心被碳納米管包覆并與碳納米管緊密結合，能夠克服金屬粒子的流失，提高復合材料中金屬粒子的催化活性。然而，作為生長碳納米管的金屬粒子的團聚情況會直接影響到生長的碳納米管的產率和結構規整程度。因此，解決金屬粒子的團聚問題是非常重要的。如何選擇合適的載體，使金屬活性粒子能夠高分散在載體上，使其催化生長出結構規整的碳納米管包覆金屬粒子的復合材料，從而大大地提高復合材料的催化活性。

層狀雙金屬氫氧化物(LDHs)，其分子式為[M²⁺_(1-x)?M³⁺_x?(OH)₂]^x+(A_x/n)^n-.?mH₂O，是一種具有典型層狀結構的陰離子型粘土材料。由于其組成M²⁺，?M³⁺以及尺寸的可調控性，在催化領域有著重要的應用。以LDHs作為前體經高溫煅燒和還原后，可得到負載型金屬催化材料。但是此類催化材料在制備過程中由于層板坍塌致使位于層板或層間的金屬物種還原后形成的金屬粒子容易團聚，從而降低了催化性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種高分散負載型納米金屬Fe基催化劑的制備方法，并將其作為類芬頓催化劑用于有機染料的降解，催化劑結構新穎獨特，且催化劑穩定性強，因而具有廣泛的應用前景。

本發明通過插層組裝方法制備出含鐵配位離子插層的MgAl-LDHs前體，然后以甲烷為氣源,再通過化學氣相沉積方法一步同時還原出鐵納米粒子和生長出多壁碳納米管，得到鎂鋁復合金屬氧化物負載的多壁碳納米管包覆鐵納米粒子的高分散鐵基催化劑。其結構特征是鐵納米粒子被多壁碳納米管包覆后負載在鎂鋁復合金屬氧化物表面，其中多壁碳納米管的平均直徑為1.5-7.5nm,?催化劑中多壁碳納米管的質量百分含量為10~15%；鐵納米金屬顆粒的平均粒徑為0.5~4.5nm，催化劑中鐵的質量百分含量為2~8%。

上述高分散鐵基納米催化劑的制備方法如下：