[發明專利]一種復合催化劑及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202110609490.5
• 申請日: 2021-06-01
• 公開（公告）號: CN113333011A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 曹宏斌;謝勇冰;段鋒
• 申請（專利權）人: 中國科學院過程工程研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J37/02;B01J37/08;C02F1/72;C02F1/78
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

本發明提供一種復合催化劑及其制備方法和應用，所述制備方法包括：在碳基材料上負載金屬氧化物和摻雜氮元素，得到所述復合催化劑；所述摻雜氮元素的含氮前驅物為氨氣和/或無機銨鹽。所述復合催化劑通過負載金屬氧化物和摻雜氮元素構建出更多的催化活性位點，并在摻雜氮的過程中對金屬氧化物進行部分還原，形成氧缺位，使復合催化劑具有更高的催化活性和穩定性，從而高效催化臭氧氧化，提高催化臭氧分解產羥基自由基的效率。所述復合催化劑的制備方法簡單，成本低，適宜規?；瘧茫湓诖呋粞跹趸幚韽U水中的效率高，催化劑穩定壽命長，能夠無選擇性地將廢水中的有機物礦化成二氧化碳和水，具有廣闊的應用前景。

技術領域

本發明屬于催化劑材料技術領域，具體涉及一種復合催化劑及其制備方法和應用。

背景技術

隨著經濟的持續穩定增長，工業生產規模日益擴大，因此產生了大量處理難度高的工業廢水、廢液，以及組分更加復雜的市政污水；如果處理不當，會對水環境的質量和居民健康造成嚴重威脅。特別是廢水中毒性有機污染物，毒害性強且處理難度大，是廢水污染控制的治理重點和難點。廢水中有機污染物一般采取分離或反應的方式去除。分離過程包括萃取、吸附、膜分離等，將有機物富集或轉移至其他液相或固體表面，再根據有機物特性進行必要的二次處理。反應過程主要包括化學氧化、化學還原等轉化過程，其中化學還原技術在實際場景中應用極少，主要通過化學氧化過程將有機物氧化成低毒性中間產物、二氧化碳和水。

化學氧化處理技術一般是利用強氧化性的羥基自由基處理廢水，也稱為高級氧化技術。高級氧化技術種類非常多，主要采用臭氧、過氧化氫、過硫酸鹽、氧氣等各種氧化劑，在光照、電化學、加溫加壓、強堿、催化劑等外加條件下產生羥基自由基降解有機物，此過程也伴隨光生空穴、超氧自由基和單線態氧等其他活性物種。目前高級氧化技術處理實際廢水大多采用過氧化氫或臭氧作為氧化劑，其他氧化技術受到處理效率或處理成本的制約，尚未實現大規模的應用。過氧化氫氧化一般在強酸性pH條件下采用二價鐵離子還原產生羥基自由基；與過氧化氫氧化相比，臭氧氧化的操作條件溫和，無二次污染，具有明顯的應用優勢。但是，臭氧氧化具有反應選擇性，需要使用高效的固相催化劑來提高臭氧氧化效率。

CN110302841A公開了一種泡沫鎳負載型雙金屬MOF基臭氧催化劑的制備方法及其產品和應用，所述制備方法以金屬有機骨架化合物ZIF-67為模板、泡沫鎳為載體，通過原位水熱-浸漬合成法制備出負載型多孔Mn-Co雙金屬MOF基臭氧催化劑；該制備方法可以調控催化劑的晶體尺寸、形貌，促進活性位點的均勻分布，提高對臭氧的分解速率和對有機物的礦化率。CN109745975A公開了一種臭氧氧化催化劑及其制備方法和應用，所述催化劑包括載體和活性組分，其中，載體為活性炭，活性組分為Ru，負載量為0.1～5％；以質量計，所述催化劑的粒徑小于1.5mm；所述催化劑通過將活性炭與RuCl₃溶液等體積浸漬、干燥后，在功率為300～500W的微波處理下制備得到。CN109876822A公開了銅錳雙金屬臭氧催化劑、制備方法及其在三環唑廢水處理中的應用，所述催化劑以含銅多孔硅膠為載體，負載金屬錳氧化物，通過將含銅多孔硅膠載體浸漬于醋酸錳溶液中，再進行超聲浸漬，最后在400～500℃條件下煅燒550～600min制備得到。以上述催化劑為代表的現有技術中，催化臭氧氧化大多采用復合催化劑，利用載體分散金屬氧化物，從而提高催化活性，減少金屬使用量；但是，現有技術中的負載催化劑活性較低，穩定性欠佳，而且制備工藝復雜，原料成本高，不利于規?；瘧?。

因此，開發一種催化活性高、穩定性好、制備方法簡單、生產成本低的催化劑，以滿足臭氧氧化催化的應用要求，是本領域亟待解決的問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種復合催化劑及其制備方法和應用，通過在碳基材料上負載金屬氧化物和摻雜氮元素，構建出更多的催化活性位點，并且摻雜氮元素的過程中使用具有弱還原性的含氮前驅物，使金屬氧化物表面形成適量的氧空位，使所述復合催化劑具有更高的活性、更高的穩定性和更長的壽命，從而提高了催化臭氧氧化以及污水處理的效率。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：