[發(fā)明專利]一種硒、氮共摻雜生物炭催化材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010815420.0
• 申請日: 2020-08-14
• 公開（公告）號: CN112023967B
• 公開（公告）日: 2021-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 石巖;張可菁;史美清;司夢瑩;柴立元;楊志輝
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J37/08;B01J37/16;B01J37/32;B01J37/36;C02F1/72;C02F101/34
• 代理公司: 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙) 43114
• 代理人: 鐘丹;魏娟

本發(fā)明公開了一種硒、氮共摻雜生物炭催化材料及其制備方法與應(yīng)用。本發(fā)明利用細(xì)菌(Bacillus megaterium B?10，保藏編號CGMCC No.15753)的生物解毒作用將高毒性的亞硒酸鹽還原為低毒性的生物納米硒，隨后將富硒菌體作為生物炭的碳源，加入氮源，采用簡單的一步碳化法制備出了一種新型硒、氮共摻雜生物炭催化材料。本發(fā)明提出的硒、氮共摻雜生物炭的制備方法簡單方便、安全、廉價易于控制、可大規(guī)模生產(chǎn)。同時細(xì)菌對高價硒的還原作用能迅速實(shí)現(xiàn)亞硒酸鹽污染物的解毒具有環(huán)境友好優(yōu)勢，此外該生物炭可以通過活化單過硫酸鹽對難降解有機(jī)物或污染物進(jìn)行有效降解，去除效果好，反應(yīng)速度快，在廢水修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景十分廣闊。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化學(xué)材料領(lǐng)域與污染物處理領(lǐng)域，具體涉及一種硒、氮共摻雜生物炭催化材料及其制備方法，以及在催化活化單過硫酸鹽降解污染物中的應(yīng)用。

背景技術(shù)

對水清潔不斷增長的需求已經(jīng)為激發(fā)人們對消除水中難處理有機(jī)污染物的先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展做出了巨大的努力。最近，基于過硫酸鹽的高級氧化方法引起了人們的極大興趣，因?yàn)樗梢援a(chǎn)生強(qiáng)力的羥基(·OH)，硫酸鹽(SO^4·–)或同時產(chǎn)生兩種自由基。單過硫酸鹽(PMS)氧化過程具有高氧化電位和廣泛的適應(yīng)性，可以克服傳統(tǒng)的Fenton工藝的缺點(diǎn)，例如pH范圍窄，鐵渣過多以及高昂的存儲和運(yùn)輸成本。迄今為止，已經(jīng)開發(fā)了多種策略來活化PMS，其中由于催化劑活化的簡單性，操作簡便性和多功能性，在催化劑存在下的異質(zhì)活化過程更具有吸引力。在這種策略中，過渡金屬(Co²⁺，F(xiàn)e²⁺，Cu²⁺，Mn²⁺)以及其氧化物(Co₃O₄，F(xiàn)e₃O₄，CuO，MnO₂)和雙金屬復(fù)合物(CuFe₂O₄，CuO–Fe₃O₄)等被認(rèn)為是有效的方法。此外，也可以使用生物炭，還原的氧化石墨烯，碳納米管和N摻雜的石墨烯來實(shí)現(xiàn)類似途徑的PMS活化。更重要的是考慮到過渡金屬基催化劑中金屬離子的浸出問題，無金屬碳材料已被廣泛用于活化過硫酸鹽以綠色降解水體中的有機(jī)污染物。

在許多不同類型的碳基催化劑中，無金屬3D多孔結(jié)構(gòu)的生物炭的特點(diǎn)是比表面積大，孔結(jié)構(gòu)層次豐富且官能團(tuán)豐富。得益于其廉價和可用的碳前驅(qū)體，它被認(rèn)為是針對環(huán)境應(yīng)用的基于過硫酸鹽的高級氧化工藝的最有潛力的選擇。但是碳基催化劑用于活化過硫酸鹽所面臨的主要挑戰(zhàn)是在其表面上形成和富集催化位點(diǎn)以達(dá)到與金屬基催化劑相當(dāng)?shù)幕钚运健?/p>

另一方面，由于人類的各種活動將過量的硒釋放到自然中，硒已被證明是一個主要的全球環(huán)境問題。幸運(yùn)的是，自然界中的許多微生物過程都會影響硒的分布和形式，并在硒污染的環(huán)境中提供潛在的補(bǔ)救策略。近年來，對微生物的排毒方法給予了特別的關(guān)注，它可以將可溶性和有毒的高價硒還原為單質(zhì)硒。然而，硒的還原是在微生物細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行的，整個還原過程需要較長的時間(＞10d)才能將納米硒轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞外進(jìn)行資源利用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種硒、氮共摻雜生物炭催化材料及其制備方法和應(yīng)用，該材料通過生物解毒作用將高毒性的亞硒酸鹽還原為低毒性的生物納米單質(zhì)硒并儲存在細(xì)胞內(nèi)，通過外加少量的氮源進(jìn)而通過一步熱解合成Se/N共摻雜的3D多孔碳，應(yīng)用于催化單過硫酸鹽活化降解模型污染物苯酚中表現(xiàn)出高穩(wěn)定性和高催化活性。該方法具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、綠色節(jié)能、簡單高效等優(yōu)點(diǎn)，市場前景十分廣闊。

本發(fā)明一種硒、氮共摻雜生物炭催化材料，所述催化材料中，按原子比計(jì)，Se的摻雜量為0.87-1.03at％，N的摻雜量為3.17-5.68at％。

優(yōu)選的方案，所述催化材料為三維分層多孔結(jié)構(gòu)。