[發明專利]一種Fe@3D-CNs復合催化材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910376491.2
• 申請日: 2019-05-07
• 公開（公告）號: CN110026222A
• 公開（公告）日: 2019-07-19
• 發明（設計）人: 李倩;劉璐;蘇園;周維芝;高寶玉;岳欽艷
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/72;C02F101/34
• 代理公司: 青島華慧澤專利代理事務所(普通合伙) 37247
• 代理人: 孟令彩

本發明屬于化學及環境技術領域，涉及一種Fe@3D?CNs復合催化材料及其制備方法，所述復合催化材料是以海藻酸鈉SA為模板，以Fe³⁺或Fe²⁺為交聯劑，形成Fe³⁺@SA水凝膠，或Fe²⁺@SA水凝膠，經過高溫煅燒制備獲得。本發明的制備方法成功合成了具有高級氧化催化活性的催化劑，降解性能高效穩定，且很好地實現了廢物資源化利用；使用的海藻酸鈉模板具有環境友好性，材料易得，價格低廉，且制備方法簡單可行，在實際生產應用中具有廣闊的前景。

技術領域

本發明屬于化學及環境技術領域，涉及一種用于高級氧化工藝(AOP)中的納米鐵@三維立體納米碳(Fe@3D-CNs)復合催化材料及其制備方法，

背景技術

高級氧化工藝(AOPs)是一種利用活性材料的高氧化能力來實現分解難降解有機物的技術。氧化劑過氧單硫酸鹽(PMS)和過硫酸鹽(PS)可以通過熱處理、紫外線照射、超聲波或過渡金屬處理來活化生成SO₄^-·。選擇過渡金屬來激活過硫酸鹽(PS)的優點是它不需要外部能量，是一種經濟實用的方法。亞鐵離子是最常用于激活PS的金屬離子，因為它毒性低，易于處理。然而，其缺點是需要優化加入反應中的鐵量并且pH范圍必須嚴格控制。而采用含鐵材料代替可溶性Fe²⁺，可以很好克服上述限制。已有研究表明，用納米碳材料(CNs)負載納米鐵(Fe@CNs)用于高級氧化工藝來去除有機污染物的效果良好，這是由于納米碳不僅可以通過化學鍵作用力保障納米Fe的穩定性、反應活性和可重復使用性，而且納米碳本身對有機污染物有一定的吸附能力，納米碳和納米鐵之間還有很好的協同催化作用，可以產生更好的催化降解效果。

現有技術中，制備Fe@CNs的過程通常比較復雜，容易造成活性組分的不均勻分布，活性組分有可能在反應過程中流失，進而影響催化活性，如：氣相法制得的產品純度高，步驟繁瑣，成本高昂；液相法容易實現對產物形貌、組成、大小的調控，需要加入大量的化學助劑，成本高的同時也與“綠色化學”的概念相悖；固相法合成的產物形貌和大小往往不可控，高溫條件下納米顆粒易燒結團聚。這些都成為制約Fe@CNs實際應用的重要因素。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種納米鐵@三維立體納米碳(Fe@3D-CNs)復合催化材料及其制備方法，本發明提供的復合催化材料為一種高級氧化催化材料，以海藻酸鈉(SA)為模板，以Fe³⁺或Fe²⁺為交聯劑，形成Fe³⁺@SA水凝膠或Fe²⁺@SA水凝膠，然后經過高溫煅燒制備獲得；該復合催化材料利用水凝膠網絡實現納米Fe的分散和固定，在N₂保護下完成Fe@3D-CNs復合催化材料的一體化同步制備。該復合催化材料具有一定的吸附作用和高效的催化性能，能夠高級氧化工藝(AOPs)中用于活化過硫酸鹽產生自由基從而有效降解水體中的有機污染物，達到治理污染與天然資源有效利用的雙重作用。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種Fe@3D-CNs復合催化材料的制備方法，以海藻酸鈉為模板，以Fe³⁺或Fe²⁺為交聯劑，形成Fe³⁺@SA水凝膠，或Fe²⁺@SA水凝膠，然后進行高溫煅燒制備獲得Fe@3D-CNs復合催化材料；

在所述Fe@3D-CNs復合催化材料的制備過程中，采用海藻酸鈉水凝膠的網絡結構實現納米Fe的分散和固定，在Fe存在下，海藻酸鈉水凝膠自身經高溫煅燒后，形成三維立體網狀結構的納米碳骨架，實現Fe@3D-CNs復合催化材料的一體化同步制備。

進一步地，所述方法包括：

制備海藻酸鈉水凝膠液：將一定量海藻酸鈉粉末與去離子水混合，加熱攪拌，得到海藻酸鈉凝膠液；