[發明專利]一種碳材料包裹尖晶石鐵氧化物原位生長MOFs吸附催化復合體及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011570957.1
• 申請日: 2020-12-26
• 公開（公告）號: CN112844320B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 代喜梅;李海普;姚晶晶;楊兆光;程夢思;余博倫
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: B01J20/22
• 分類號: B01J20/22;B01J20/28;B01J20/30;B01J31/28;B01J31/32;C02F1/72;C02F101/30
• 代理公司: 濟南幫友知識產權代理事務所(普通合伙) 37269
• 代理人: 張小鴿

本發明公開了一種碳材料包裹尖晶石鐵氧化物原位生長MOFs吸附催化復合體及其制備方法和在水處理催化方面的應用，制備方法包括：1)準備磁性納米材料，2)將步驟1)中得到的納米尖晶石鐵氧體與碳材料、超純水以一定比例制備碳材料包裹的磁性尖晶石鐵氧化物TFe₂O₄；3)將步驟2)得到的碳材料包裹的磁性TFe₂O₄與有機配體、超純水以一定比例制備碳材料包裹的磁性碳材料原位生長MOFs材料，即為碳材料包裹尖晶石鐵氧化物TFe₂O₄原位生長MOFs吸附催化復合體。本發明的復合體制備工藝操作簡單、原材料來源豐富、制作成本低，磁性回收能力強、再生性能優異，能高效吸附去除水中重金屬和痕量有機物。

技術領域

本發明屬于水環境復合污染治理領域，涉及碳材料包裹尖晶石鐵氧化物(TFe₂O₄)原位生長MOFs吸附催化復合體及其制備方法和在水處理和催化方面的應用。

背景技術

我國是一個水資源短缺的國家，在世界缺水國家中排名第13名，占國土面積50％以上的地區干旱缺水。由于水環境的污染，使我國有限的水資源更加短缺。由于經濟的高速發展，在短短20年中國民經濟經歷了發達國家幾十年的發展歷程，但與此同時我國也發生了特有的復合污染問題。水環境的復合污染表現在發達國家不同時期的水污染問題在中國短期內集中爆發，點源、面源、降雨和底泥中污染物的釋放形成了對水體污染的時間和空間復合：有機物、氮、磷等營養物質，難降解有機物和重金屬等有毒物質的共存，形成了水環境的復合污染。因此需要開發出新的具有高效除去污染物的材料應用到水污染物處理的領域中。

金屬-有機框架(Metal-Organic Frameworks)，簡稱MOFs，是由有機配體和金屬離子或團簇通過配位鍵自組裝形成的具有分子內孔隙的有機-無機雜化材料。MOFs由金屬中心和有機配體構成，它們通過配位鍵自組裝，形成幾乎無限的晶體網絡。此外，MOFs還具有超高的表面積、熱穩定性和機械穩定性、大孔隙體積、優異的主-客體化學和適應性功能，其在吸附、催化、氣體儲存和分離方面表現出優異的性能。MOFs難以從大量反應溶液中分離出來的缺點限制了其實際應用。

TFe₂O₄是一種磁性混合金屬氧化物(其中T為過渡金屬元素)，其對硫酸鹽自由基、H₂O₂降解有機物有一定催化作用，鐵氧體材料有著較大的比表面積和較多的活性位點因而具備較強的凈水能力，使得它在水處理的吸附和降解方面有著非常重要的作用。而且TFe₂O₄中的金屬離子可以作為MIL-100(Fe)的金屬中心，可以不用額外的添加金屬離子作為MOF材料的金屬中心，通過水熱反應合成催化劑同時具有過硫酸鹽催化性能和磁性材料。然而，TFe₂O₄材料的高表面積和獨特的磁性，導致其在實際應用中容易聚集，影響催化效率。因此，采用一些高導電性的碳質材料作為TFe₂O₄的基體，以均勻分布活性位點，提高催化性能。

通過合成具有核殼結構的磁性化MIL-100(Fe)材料是一種非常具有吸引力的功能化MOFs材料，其結合了MOFs材料、TFe₂O₄和碳材料的優點，具備高活性位點、磁性和高的比表面積，可以廣泛的應用于水污染治理體系中。

發明內容

本發明所要解決的技術問題之一是現有技術中MOF材料在溶液中難以分離，針對該技術問題，本發明提供了一種工藝操作簡單、原材料來源豐富、制作成本低，磁性回收能力強、再生性能優異，能高效吸附去除水中重金屬、有機物(也可以去除水中痕量有機物)的碳材料包裹尖晶石鐵氧化物TFe₂O₄原位生長MOFs吸附催化復合體及其制備方法和應用。該復合體具有易分離、催化活性高的優點，而且本發明采用CuFe₂O₄作為金屬活性中心，這也相應避免了加入外來金屬離子再次污染而帶來的麻煩。