[發明專利]一種硅納米線陣列負載銅納米顆粒的催化劑及其制備方法和應用

無效

• 申請號: 201310542144.5
• 申請日: 2013-11-05
• 公開（公告）號: CN103521226A
• 公開（公告）日: 2014-01-22
• 發明（設計）人: 楊曉玲;張建鵬;鐘華;朱以華;黃健飛
• 申請（專利權）人: 華東理工大學;上海問鼎環保科技有限公司;上海問鼎水處理工程有限公司
• 主分類號: B01J23/72
• 分類號: B01J23/72;B01J35/06;C02F1/70;C02F101/38
• 代理公司: 上海新天專利代理有限公司 31213
• 代理人: 胡紅芳

技術領域

本發明涉及一種環境功能催化劑，特別是一種用于處理含有4-硝基酚類廢水的催化劑，屬于無機納米材料和催化有機污染物降解的技術領域。

背景技術

隨著農藥、染料、石油化工等化學工業的迅速發展，環境污染問題變得日益嚴重。其中，工業廢水已成為當前最主要的水體污染源之一。尤其是近些年來，隨著化工、制藥和染印工業的飛速發展，染料種類和助劑日益繁多，而且大多是難降解物質，如含有苯環、硝基等致癌物質的化工產品，4-硝基酚是其中的典型代表。由于4-硝基酚在環境中穩定存在，不能夠通過自然界的微生物來降解，因此更易滲入地下水，給人類的生命安全帶來重大隱患。迄今為止，許多研究人員一直在尋找含硝基的有機污染物的最佳處理方法。傳統處理方法的效果一直不佳，如混凝沉淀法、吸附法、膜分離法、氣浮法等，它們都屬于非破壞性的物理處理方法，只是對有機污染物進行物理的轉移，并沒有真正對染料進行分解轉化，并且在處理過程中二次污染以及吸附劑再生等問題也伴隨而來。

近些年來，利用氧化還原反應降解4-硝基酚的方法逐漸興起。這種方法是用硼氫化鈉作為還原劑，貴金屬納米顆粒作為催化劑，在水溶液中還原降解4-硝基酚成4-氨基酚，能夠有效地去除苯環上的硝基。這種方法簡單方便，在室溫條件下就可以進行，不會造成二次污染。在實際使用中，人們發現貴金屬納米顆粒往往因為團聚而失活，造成催化劑壽命減短，存在重復利用性差等問題。于是，Zhang等人利用碳納米管作為載體，負載貴金屬銀納米顆粒作為催化劑，有效地防止了金屬納米顆粒的團聚，提高了催化活性和重復利用性（Nanoscale,2011,3:3357–3363）。后來，研究人員發現將二氧化硅、二氧化鈦和石墨烯等作為載體都能很好地分散貴金屬納米顆粒（Phys.Chem.Chem.Phys.2013,15:10453–10458;Langmuir2013,29:4225-4234;J.Mater.Chem.A,2013,1:1763–1769）。催化劑的回收及重復利用，可提高貴金屬的使用效率，降低使用成本。如Zhu等人制備了SiO₂包覆Fe₃O₄的磁性微球作為載體，負載金納米顆粒作為催化劑，這種方法顯著解決了回收困難的問題，同時也提高了催化劑的活性（J.Phys.Chem.C2011,115:1614–1619）。

到目前為止，雖然這類催化劑的制備方法還在不斷完善，但是仍有以下幾個方面的問題不能很好解決：(1)用作催化劑的貴金屬納米顆粒Au，Ag，Pt和Pd等是非常昂貴和稀缺的資源；(2)利用上述納米結構作為金屬納米顆粒的載體，即使載體可以通過磁性分離，但是回收過程仍舊十分繁瑣，需要經過過濾、洗滌、干燥等多個步驟；(3)制備方法繁瑣，費時費力，而且制備周期較長。

與貴金屬相比，銅的價格相對廉價很多，而且它具有良好的催化活性，例如，Sascha等人將Al₂O₃微球作為載體，負載5nm大小的Cu納米顆粒作為催化劑，它可以于作氣體脫毒（Angew.Chem,2005,117:8192–8195）。Tsang等人分別將Au納米顆粒和Cu納米顆粒負載在硅納米線上催化碳氫化合物的氧化，發現后者的催化效率97.6%，要高于前者90%（Appl.Catal.,A2000,200:55–61）。銅有巨大的應用潛力，在降低成本的同時也獲得了與貴金屬相當的催化活性。本發明擬擴大銅在催化領域更廣泛的應用，把它作為貴金屬廉價的替代品用于廢水中4-硝基酚的催化降解。

最近，研究發現硅納米線陣列作為載體基底能夠很好地分散金屬納米顆粒，它們天然多孔的結構也有利于降解物的擴散。此外，硅納米線陣列基底具有良好的可分離回收作用，可以方便地分離回收，能夠重復利用。

當前，以硅納米線陣列負載銅納米顆粒作為功能催化劑的制備方法，和在水溶液中還原降解4-硝基酚等有機污染物的應用，還未見報道。

發明內容

鑒于以上問題，本發明的目的提供一種硅納米線陣列負載銅納米顆粒的催化劑及其制備方法，和在催化降解廢水中4-硝基酚的應用。

本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

一種硅納米線陣列負載銅納米顆粒的催化劑，所述硅納米線以統一的長度、均勻的直徑垂直整齊地豎立在硅基板上，作為活性中心的所述銅納米顆粒均勻分布在所述硅納米線表面，所述銅納米顆粒的粒徑為20～50nm。

上述硅納米線陣列負載銅納米顆粒的催化劑的制備方法，包含如下步驟：