[發明專利]一種制備金屬單原子碳基催化劑的普適性方法及應用

有效

• 申請號: 202011097910.8
• 申請日: 2020-10-14
• 公開（公告）號: CN112452346B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 王娟;左四進;劉維屏;俞濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/72;C02F101/38
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 陳升華

本發明公開了一種制備金屬單原子碳基催化劑的普適性方法及應用，包括以下步驟：以金屬化合物為單原子前驅體，科琴黑為碳骨架，葡萄糖作為粘結劑，雙氰胺作為氮元素來源。通過超聲逐步分散的方式，使所有原料混合均勻，再烘干研磨，高溫下退火裂解，使金屬呈現單原子分布。本發明利用制備好的金屬單原子碳基催化劑構成類芬頓體系降解含四環素污水，具有高效的去除效率。以銅單原子碳基催化劑為例，0.1g/L的催化劑活化0.18mM的過硫酸鹽在1min可實現10mg/L四環素(20mL)全部去除，一級反應動力學常數為4.9min^?1。

技術領域

本發明涉及環境功能材料合成及環境污染治理技術領域，具體涉及一種制備金屬單原子碳基催化劑的普適性方法及其活化過二硫酸鹽快速去除水體中的四環素類抗生素污染物的應用。

背景技術

隨著工業的進步，包括藥物和個人護理品在內生成的更多的新興污染物進入水體，這種現象日益增加了人們對飲用水安全的擔憂。其中，抗生素這類污染物在水體中檢出率低，難以自發降解，毒性累積性高，成為水污染治理的重點關注對象之一。傳統的水處理工藝，如生物法、絮凝，吸附等對這類污染物的降解去除效果不明顯。芬頓/類芬頓技術因能產生具有高氧化電位的活性氧物種(如·OH 1.8-2.7V，·SO₄^- 2.5-3.1V)，快速降解礦化水體中新興污染物，近年來備受研究人員關注。典型的芬頓(Fe²⁺+H₂O₂)均相氧化體系能夠對有機污染物快速處理，但存在金屬利用率低(價態不可循環)， pH作用范圍窄等問題。在芬頓/類芬頓體系中加入助催化劑(如MoS₂,還原性硼等)，可以有效加速金屬在不同價態之間的循環，提高體系活性和穩定性。此外，異相類芬頓體系的發展，如將金屬修飾在碳基材料上可以在活化過硫酸鹽體系中釋放出強氧化性的自由基的同時，拓寬其pH作用范圍，提升其循環使用性，因而具有廣泛的應用潛力。然而，傳統的以金屬為活性中心的異相類芬頓體系中，金屬成分呈聚集狀態，作為催化反應的金屬活性位點的利用率不高。近些年興起的金屬單原子催化劑通過將金屬呈現出原子級別的分散，能夠在減少金屬用量的同時，提供更多的金屬反應活性位點，最大化金屬利用率，提高催化反應效率。基于此，我們提出以下發明。

發明內容

本發明提供了一種制備金屬單原子碳基催化劑的普適性方法及其活化過二硫酸鹽快速去除水體中的四環素類抗生素污染物的應用。

本發明處理條件如下：

一種制備金屬單原子碳基催化劑的普適性方法，包括以下步驟：

1)將科琴黑進行預處理，得到預處理后的科琴黑；

2)取金屬化合物于水中，進行第一次超聲分散，得到金屬化合物水溶液，之后加入步驟1)得到預處理后的科琴黑，進行第二次超聲分散，再加入葡萄糖，進行第三次超聲分散，然后加入雙氰胺，超聲攪拌，使其混合均勻，得到混合物；

3)將步驟2)得到的混合物烘干，所得固體研磨，將研磨后的固體在保護氛圍中，700～900℃下退火1～4h，待冷卻后，研磨得到金屬單原子碳基催化劑；

步驟1)中，將科琴黑進行預處理，具體包括：

1.1)取科琴黑在硫酸中攪拌，使其表面氧化；

1.2)將所得的氧化過的科琴黑離心分離，洗滌，烘干備用，得到預處理后的科琴黑；

步驟1.1)中，所述的硫酸的濃度為2～4mmol/L(最優選為3mmol/L)。

攪拌的時間為8～16h，進一步優選為11～13h，最優選為12h。