磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂及其制备方法和应用，其中磁性载靶氮杂化催化剂的载体为氮杂化介孔碳，钯纳米粒子和铁纳米粒子负载在氮杂化介孔碳的表面和微孔中。其制备方法为：将钯盐溶解得到钯盐溶液，将磁性氮杂化介孔碳加入到钯盐溶液中得到混合液；将甲酸溶液加入到混合液中加热反应，得到磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂。本发明专利技术的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂结构稳定、催化性能高、能够防止钯铁纳米粒子团聚，可应用于去除水体中的六价铬离子。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于介孔碳催化剂领域，具体涉及一种磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
铬在水体中主要有两种粒子形态，三价铬和六价铬，其中六价铬是公认的人类杀手。因六价铬Cr(VI)毒性极强，故被认为是世界上三大严重污染物之一。六价铬可以通过食物链、饮水多种渠道进入人体，对人体健康造成严重影响。六价铬Cr(VI)是一种常用的重金属，在工业生产的过程中，如钢铁行业、服装行业等具有广泛的应用。生活中由于六价铬的泄漏和使用不当，常会发生严重的铬污染，这是环境重金属污染的主要来源。六价铬是一种强致癌物，也是人类众所周知的疾病之源。作为工业五毒，六价铬影响种子萌芽，抑制生物细胞有丝分裂，导致染色体结构变异。世界卫生组织发表声明，六价铬已被证实的风险包括增加DNA突变以及致癌性和急性毒性。而三价铬相对而言毒性较低，具有化学惰性，并且难以摄入转移，被作为对人类、动物的脂质代谢和糖有重要作用的营养物质。将水体中六价铬转变为三价铬的技术成为生活所需，还原减少废水和地下水中的Cr(VI)已经引起了很大的关注，如何高效催化还原，使水体中的六价铬转变为三价铬也成为各学科的研究重点。目前，对于重金属污染的水体修复方法可以划分为化学处理法、物化处理法、生物处理法，氧化还原处理法，吸附法等。其中氧化还原处理法中，双金属催化剂是应用最为广泛的催化剂，但普遍存在金属粒子易于团聚，水溶性低等问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构稳定、催化性能高、能够防止钯铁纳米粒子团聚的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，并相应提供一种以糠胺为碳氮源的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的制备方法和在含六价铬离子水体处理中的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，其特征在于，催化剂载体为氮杂化介孔碳，钯纳米粒子和铁纳米粒子负载在所述氮杂化介孔碳的表面和微孔中。上述的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，优选的，所述氮杂化介孔碳的棒状结构之间的距离为0.4μm～0.5μm，所述钯纳米粒子的粒径为40nm～50nm，所述铁纳米粒子的粒径为40nm～50nm。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：S1、将钯盐溶解得到钯盐溶液，将磁性氮杂化介孔碳加入到所述钯盐溶液中得到混合液，S2、将甲酸加入到所述混合液中加热反应，得到磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂。进一步的，S1步骤中，将钯盐溶液调节pH为中性后，再将磁性氮杂化介孔碳加入到所述钯盐溶液中。上述的制备方法，优选的，所述S1步骤中，所述磁性氮杂化介孔碳采用以下制备方法制备得到：S1-1、将铁盐溶解，与介孔硅模板和糠胺混合得到多元溶液；S1-2、在保护气体的气氛中，将所述S1-1步骤的多元溶液在600℃～1000℃下煅烧1h～4h得到煅烧产物；S1-3、用氢氧化钠溶液脱除所述S1-2步骤的煅烧产物中的硅模板，得到磁性氮杂化介孔碳。上述的制备方法，优选的，所述S1-1步骤中，所述铁盐为Fe(NO3)3·9H2O。进一步的，溶解所述铁盐的溶剂为无水乙醇，所述铁盐与无水乙醇的质量体积比为1g～1.1g∶10mL～15mL。进一步的，所述介孔硅模板为SBA-15。进一步的，所述Fe(NO3)3·9H2O、糠胺和介孔硅模板SBA-15的质量体积比为1g～2g∶2mL～4mL∶1g～2g。上述的制备方法，优选的，所述S1-3步骤中脱除硅模板的温度为40℃～100℃，所述氢氧化钠溶液的浓度为1M～4M。上述的制备方法，优选的，所述介孔硅模板SBA-15的制备方法如下：将正硅酸乙酯加入含嵌段共聚物P123的盐酸溶液中，水浴加热后进行水热反应，得到水热产物，将上述水热产物焙烧，得到介孔硅模板SBA-15；所述嵌段共聚物P123与正硅酸乙酯的质量比为8∶17～23；水浴加热的温度为30℃～35℃；水热反应的温度为140℃～150℃，水热反应的时间为23h～25h；焙烧温度为530℃～550℃，焙烧时间为4h～5h。上述的制备方法，优选的，所述S1步骤中所述钯盐为PdCl2。进一步的，所述钯盐溶液为钯盐溶解在HCl溶液中得到的，所述钯盐与HCl溶液的质量体积比为0.05g～0.1g∶5mL～10mL。进一步的，所述钯盐与所述磁性氮杂化介孔碳催化剂的质量比为0.05g～0.1g∶0.5g～1g。上述的制备方法，优选的，所述S2步骤中所述甲酸的浓度为3M。上述的制备方法，优选的，所述甲酸与所述混合液的体积比为10mL～15mL∶10mL～15mL。作为一个总的技术构思，本专利技术还提供了一种上述的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂或上述的制备方法制备得到的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂在含六价铬离子水体处理中的应用。上述的应用，优选的，所述应用方法为：将所述磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂加入到含六价铬离子和甲酸钠的水体中进行振荡处理，完成对六价铬离子的催化还原。上述的应用，优选的，所述甲酸钠溶液的浓度为浓度为150mg/L～1000mg/L。进一步的，所述甲酸钠的浓度为600mg/L。上述的应用，优选的，所述六价铬离子的浓度为50mg/L～200mg/L。进一步的，所述水体溶液的PH值为2～7。进一步的，所述磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的添加量为4mg/50mL～10mg/50mL。进一步的，所述振荡的转速为150rpm～200rpm，振荡的时间为2min～120min，振荡处理的温度为15℃～40℃。进一步的，振荡处理的温度为30℃。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，以氮杂化介孔碳为载体，氮原子掺杂于介孔碳，与其它介孔碳相比，不仅介孔碳的介孔结构更加稳定，而且可以使钯纳米粒子、铁纳米粒子分布更加均匀，防止其团聚的效果更佳。钯纳米粒子和铁纳米粒子负载在氮杂化介孔碳的表面和微孔中，既保证了钯铁纳米粒子的磁性和催化性，又因为钯铁纳米粒子的协同作用，使得负载钯铁纳米粒子的氮杂化介孔碳催化剂对水体中六价铬具有更好的催化还原效果。(2)本专利技术的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的制备方法，首先合成磁性氮杂化介孔碳催化剂，而后钯纳米颗粒很好的负载于磁性氮杂化介孔碳上，不仅具有高的催化还原效果，而且能够在酸性，中性环境中实现催化还原。(3)本专利技术的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的制备方法，采用糠胺作为碳源和氮源，所制备的磁性载钯氮杂化介孔碳相比于采用苯酚为碳源制备的介孔碳，介孔结构更加稳定，并且可以使铁纳米粒子和钯纳米粒子更加均匀地分布在其表面和微孔中。(4)本专利技术的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂在催化还原处理水体中六价铬Cr(VI)中的应用，以甲酸钠为还原剂，能够在pH为2～7的中性、酸性环境中进行，适用环境宽松，并且催化降解率均达到99％以上。磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂催化还原六价铬的原理如下方程式所示：HCOO-+H2O→CO2+H3O++2e-；Cr2O72-+14H3O++6e-→Cr3++21H2O；E0(V)＝+1.33。附图说明图1为本专利技术实施例1的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的电镜图，其中a图为磁性载钯氮杂化介孔碳的扫描电镜图，b图为磁性载钯氮杂化介孔碳的透射电镜图。图2为本专利技术实施例1的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，其特征在于，以氮杂化介孔碳为载体，钯纳米粒子和铁纳米粒子负载在所述氮杂化介孔碳的表面和微孔中。

【技术特征摘要】
1.一种磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，其特征在于，以氮杂化介孔碳为载体，钯纳米粒子和铁纳米粒子负载在所述氮杂化介孔碳的表面和微孔中。2.根据权利要求1所述的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂，其特征在于，所述氮杂化介孔碳的棒状结构之间的距离为0.4μm～0.5μm，所述钯纳米粒子的粒径为40nm～50nm，所述铁纳米粒子的粒径为40nm～50nm。3.一种权利要求1或2所述的磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将钯盐溶解得到钯盐溶液，将磁性氮杂化介孔碳加入到所述钯盐溶液中得到混合液；S2、将甲酸加入到所述混合液中加热反应，得到磁性载钯氮杂化介孔碳催化剂。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述S1步骤中，所述磁性氮杂化介孔碳采用以下制备方法制备得到：S1-1、将铁盐溶解，与介孔硅模板和糠胺混合得到多元溶液；S1-2、在保护气体的气氛中，将S1-1步骤的所述多元溶液在600℃～1000℃下煅烧1h～4h得到煅烧产物；S1-3、用氢氧化钠溶液脱除S1-2步骤的所述煅烧产物中的硅模板，得到磁性氮杂化介孔碳。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述S1-1步骤中，所述铁盐为Fe(NO3)3·9H2O；溶解所述铁盐的溶剂为无水乙醇，所述铁盐与无水乙醇的质量体积比为1g～1.1g∶10mL～15mL；所述介孔硅模板为SBA-15；所述Fe(NO3)3·9H2O、糠胺和介孔硅模板SBA-15的质量体积比为1g～2g∶2mL～4mL∶1g...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤琳，彭博，黎思思，曾光明，张长，邓垚成，王敬敬，王佳佳，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43