[發(fā)明專利]一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe-N-C催化劑及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202310498637.7
• 申請日: 2023-05-05
• 公開（公告）號: CN116493035A
• 公開（公告）日: 2023-07-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾澤泉;黃張根;溫琴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;C02F1/72;C02F101/30;C02F101/34
• 代理公司: 北京正和明知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11845
• 代理人: 李建剛

本發(fā)明提供一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe?N?C催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于污水處理領(lǐng)域。一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe?N?C催化劑的制備方法，包括：將氮源和鐵源充分混合，然后進(jìn)行炭化，即得；所述氮源為共價(jià)有機(jī)骨架材料；所述鐵源為鐵酞箐。一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe?N?C催化劑，由所述的制備方法制得；所述雙活性位點(diǎn)包括Fe?Nx活性位點(diǎn)和石墨氮活性位點(diǎn)。一種所述的具有雙活性位點(diǎn)的Fe?N?C催化劑的應(yīng)用，用于處理有機(jī)廢水；所述催化劑適用于活化過硫酸鹽降解有機(jī)廢水中的有機(jī)物。本發(fā)明提供的制備方法，工藝簡單可控，利用雙位點(diǎn)之間存在協(xié)同作用，調(diào)控催化劑的活性。所制得的催化劑活性高，性能穩(wěn)定，應(yīng)用于活化過硫酸鹽降解有機(jī)物，處理效率高、效果好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于污水處理領(lǐng)域，尤其涉及一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe-N-C催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

我國煤化工行業(yè)在大力發(fā)展過程中產(chǎn)生的成分復(fù)雜、毒性大、可生化性差的廢水，如果處理不當(dāng)被排放到自然界，則嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境和人類健康。采取有效措施處理工業(yè)廢水刻不容緩。催化活化過硫酸鹽的高級氧化技術(shù)由于氧化能力強(qiáng)、pH使用范圍寬、操作簡單的優(yōu)勢在煤化工廢水處理領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵就是開發(fā)能夠高效活化過硫酸鹽的催化劑。

有文獻(xiàn)報(bào)道(Journal?of?Hazardous?Materials，2020，397：122764)通過熱解小麥秸稈、尿素和鐵鹽制備的Fe-N-C催化劑可以高效活化過硫酸鹽降解酸性橙、苯酚等有機(jī)物；T?Xiao等人(Journal?of?Hazardous?Materials，2022，424：127380)通過熱解Fe-Zn-MOFs前驅(qū)體得到的Fe-N-C催化劑可以高效活化過硫酸鹽降解環(huán)丙沙星。已經(jīng)證明Fe-Nx和石墨氮雙位點(diǎn)結(jié)構(gòu)賦予Fe-N-C催化劑優(yōu)異的過硫酸鹽活化性能。盡管如此，為了工業(yè)應(yīng)用還需要進(jìn)一步提高Fe-N-C催化劑的活性。而且目前報(bào)道的制備方法復(fù)雜、活性位點(diǎn)含量偏低，也缺乏對Fe-Nx和石墨氮之間相互作用對性能影響規(guī)律的深入探究。

轉(zhuǎn)換頻率(TOF)表示單位時(shí)間內(nèi)單個(gè)活性位點(diǎn)的轉(zhuǎn)化數(shù)，它反映的是催化劑的本征活性。可以通過提高活性位點(diǎn)的內(nèi)在TOF進(jìn)一步提高催化劑活性。但目前Fe-N-C催化劑活化過硫酸鹽的性能并未從這一角度進(jìn)行過研究。

對于Fe-N-C催化劑，選擇具有大比表面積的炭前驅(qū)體是很重要的，大比表面積有利于石墨氮和Fe-Nx活性位點(diǎn)的負(fù)載。直接炭化共價(jià)有機(jī)骨架材料制備的炭具有均勻且高密度的N原子和豐富的孔結(jié)構(gòu)(Journal?of?Hazardous?Materials，2022，426：128065)，使得COFs成為制備Fe-N-C催化劑的理想前驅(qū)體。目前，以COFs為模板制備Fe-N-C催化劑并用于活化過硫酸鹽降解有機(jī)污染物的研究鮮有報(bào)道。

有鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe-N-C催化劑及其制備方法和應(yīng)用，以解決上述問題。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明特采用以下技術(shù)方案：

一種具有雙活性位點(diǎn)的Fe-N-C催化劑的制備方法，包括：將氮源和鐵源充分混合，然后進(jìn)行炭化，即得；

其中，所述氮源為共價(jià)有機(jī)骨架材料；所述鐵源為鐵酞箐。

所述的鐵酞箐分子結(jié)構(gòu)易于調(diào)控，便于對其進(jìn)行加工處理。共價(jià)有機(jī)骨架材料是一種具有周期性結(jié)構(gòu)的多孔聚合物，直接炭化含氮共價(jià)有機(jī)骨架材料即可得到具有大比表面積的原位摻氮炭，有利于Fe原子的錨定。

可選的，所述氮源和所述鐵源的質(zhì)量比為0.5～5：1。通過調(diào)節(jié)共價(jià)有機(jī)骨架材料和鐵酞箐的質(zhì)量比調(diào)控Fe-Nx和石墨N的比例、物理結(jié)構(gòu)和表面電化學(xué)性質(zhì)。

可選的，所述炭化在氮?dú)饣驓鍤鈿夥障逻M(jìn)行；

優(yōu)選地，所述炭化的溫度為500～1000℃，升溫速率為1～5℃/min，炭化時(shí)間為1～3h。