[發明專利]一種氮摻雜鐵納米管、其制備方法及應用

在審

• 申請號: 202010722928.6
• 申請日: 2020-07-24
• 公開（公告）號: CN112007677A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 張偉賢;王晶;范建偉
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/10;B01J37/08;C02F1/461;C02F1/70;C02F101/16
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 陳義

本發明屬于環境功能材料領域，提供了一種氮摻雜鐵(FeN)納米管的制備方法及其電催化應用。本發明的氮摻雜鐵納米管中，FeN活性位點分散封裝于管狀的NC殼層內。其制備方法為Fe自催化生長了氮摻雜鐵納米管，并將FeN活性位點分散封裝于管狀的NC殼層內。本發明的FeN納米管具有高的比表面積、大的孔體積、廣泛的孔徑分布、高密度和高穩定的FeN活性位點以及一維電子傳遞通道；該FeN納米管制備的工作電極在環境領域表現出高的脫氮性能，硝酸鹽去除率可達88?96％，氮氣選擇性85?91％；在廣泛的pH值范圍內和多次電催化循環后仍然保持著較高的脫氮活性和氮氣選擇性。

技術領域

本發明屬于環境功能材料領域，具體涉及一種氮摻雜鐵納米管、其制備方法及電催化應用。

背景技術

水體中過多的氮元素等富營氧鹽導致藻類和其它浮游生物過量繁殖，引發了海河流域等地表水體的嚴重富營養化，導致水體生態系統紊亂、生物種類滅絕、形成大面積的死水區，水體富營養化已經成為全球面臨的最嚴峻的環境挑戰之一。NO₃^-是含氮有機物經無機化作用分解的最終產物，是有氧環境中最穩定的含氮化合物，具有高流動性和高溶解度，是維持生態系統中氮平衡的關鍵環節。為有效降低水體中的NO₃^-含量，尋找一個成本低廉、行之有效、操作便捷、適用范圍廣泛的NO₃^-去除技術成為目前亟需解決的重要問題。近年來隨著多功能納米材料、電催化技術和可再生能源(如風能和太陽能)的迅速發展，納米電催化硝酸鹽還原為無害氮氣正迅速發展成為一種可替代傳統生物法的最有前途的脫氮技術。

Fe具有儲量豐富、成本低和毒性小等優勢常被用于制備陰極電催化劑，可有效替代貴金屬納米催化劑用于催化硝酸鹽的還原。Fe基催化劑因具有優異的供電子能力而顯示出較高的NO₃^-還原活性，然而其生成產物多為銨根離子(NH₄⁺)，導致N₂選擇性差，且其應用于電催化過程中存在穩定性差和酸堿耐受性差的難題。碳納米管由于其獨特的幾何形貌、顯著的表面積和高電導率被報道為分散和穩定金屬納米粒子的有效支撐。然而碳納米管表面負載的Fe在酸性環境中容易泄漏，導致催化劑活性位點減少，催化穩定性變差。

發明內容

針對當前用于脫氮催化劑普遍存在的成本高、硝酸鹽去除性能差、氮氣選擇性低和酸堿耐受性差的缺點，提出本發明。本發明要解決的技術問題是提供一種氮摻雜鐵納米管，結合電化學還原法的優點，通過調節納米管的多孔結構可以控制硝酸鹽還原的多電子轉移，選擇性的將水體中的硝酸鹽還原為氮氣。

針對本發明的技術問題，已有研究表明將N和Fe摻雜到碳納米管結構形成的Fe-C-N能夠顯示與Pt基催化劑相當的氧化還原活性和循環穩定性。本發明將N摻雜Fe納米顆粒封裝于納米管中，在不影響NO₃^-還原性能的同時提高了N₂選擇性，且FeN納米管在電催化過程中展示了高的穩定性和酸堿耐受性。本發明采用Fe自催化的方法制備了FeN納米管，通過調整梯度Fe摻雜量調控了納米管的生長流程，制備了具有較大活性界面的多孔FeN納米管用于電催化NO₃^-還原。具有高孔隙結構的納米管提供了豐富的硝酸鹽吸附位點和一維電子傳遞通道，高密度的FeN活性位點提供了強的NO₃^-還原能力，納米管封裝結構提供了有效的酸堿耐受性，石墨化的NC殼層提供了高電導率。本發明的多孔FeN納米管展示了高的NO₃^-還原性能、高穩定性和有效的酸堿耐受性，能夠特異性的應用于酸洗廢水和退鍍廢水的處理。本論文的研究成果為合理構建具有高NO₃^-還原活性、高成本效益、低環境影響的FeN納米管提供了新方向。

一方面，本發明提供了一種氮摻雜鐵納米管，氮摻雜鐵(FeN)活性位點分散封裝于管狀的碳納米管(NC)殼層內。