一种局域酸位点改性的单原子催化剂、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种局域酸位点改性的单原子催化剂、制备方法及其应用，属于有机污水处理技术领域。所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述的载体为酸位点改性的碳载体；所述的过渡金属单原子与碳载体中的C原子相互作用，且以单原子的形式被碳载体包裹而均匀分布在载体表面。本发明专利技术的单原子催化剂具有较大的比表面积、丰富的酸位点和活性位点，可在中性条件下发生类芬顿反应，高效催化H2O2产生OH

【技术实现步骤摘要】
一种局域酸位点改性的单原子催化剂、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于有机污水处理
，具体涉及一种局域酸位点改 性的单原子催化剂、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]水是生命之源，污水处理就是保护人类生存环境的保障，国家对 此高度重视，要求水体洁净包括地表水水质优良(达到或好于III类) 比例、地表水劣
Ⅴ
类水体比例、地级及以上城市集中式饮用水水源地 水质达标率3个指标，其中工业废水是水污染的重要源头，其不同于 常规生活污水，主要含有大量有机助剂类如羧酸、醇、酯类、中间体 以及部分有机小分子化合物，具有成分复杂、化学稳定性好、生物难 降解等突出特性。
[0003]目前，最环保有效的处理这类有机工业废水的方法是芬顿法，其 机理是Fe
2+
与H2O2通过链反应催化生成羟基自由基(OH
·
)，其具 有较强的氧化能力，可无选择氧化污水中的大多数有机物，特别适用 于生物难降解或一般化学氧化难以奏效的有机废水的氧化处理。
[0004]然而，在有机废水处理领域，采用传统均相催化剂(例如硫酸亚 铁)的芬顿反应时，存在限于强酸环境较窄的pH值范围，需要时刻 加酸剂维持溶液的pH值在3
‑
5之间，才能保证反应顺利进行；并且 Fe
2+
游离于水体中，导致铁催化剂回收困难；还有反应伴随大量的铁 污泥产生等问题。与之相比，非均相催化剂的类芬顿反应是一种很前 景的替代反应，以往的研究主要集中在利用不同载体上暴露过渡金属 原子的单电子氧化还原循环激活H2O2，因催化剂结构稳定，解决了 铁催化剂回收困难与铁污泥的产生，但是这些催化剂很少能在中性条 件下表现出很好的H2O2催化活性，原因是OH
·
容易被这类催化剂 分子结构上相邻的过渡金属原子猝灭。
[0005]单原子技术是由我国提出的一项引领世界前沿发展的顶尖技术， 我国在该技术的研究和应用上也是领跑与世界前列。单原子技术自 2011年提出以来，就迅速发展为科学研究最热门的前沿领域，广泛 地应用在能源、材料、化工、医疗、生物等领域，在科学领域掀起一 股热烈地研究热潮。
[0006]相对于纳米尺度而言，单原子技术使金属呈原子级分散，每个金 属原子的特性能够被淋漓尽致的体现出来，且金属原子的利用率达到 了100％，实现了完全化的“原子经济”。单原子技术在实现功能金 属材料特性突破，合理利用金属资源和实现原子经济方面具有巨大的 潜力。
[0007]因此，将单原子高效催化特性引用到非均相类芬顿反应催化剂合 成，合成一种局域酸位点改性的单原子催化剂，可用于类芬顿高级氧 化。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是替代传统的均相催化剂的芬顿反应，提供一种局 域酸位点改性的单原子催化剂用于类芬顿高级氧化。
[0009]为了实现这一目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]一种局域酸位点改性的单原子催化剂，由载体和过渡金属组成， 所述的载体为酸位点改性的碳载体；所述的过渡金属与酸混合，形成 金属配位前驱体，再与载体混合煅烧，过渡金属单原子与碳载体中的 C原子相互作用，且以单原子的形式被碳载体包裹而均匀分布在载体 表面。
[0011]技术原理：本专利技术的局域酸位点改性的单原子催化剂，采用载体 局域酸位点改性的方法，当催化剂分布在中性溶液中时，在局域空间 内，载体表面的酸位点跟水结合，分解出H
+
离子，形成局域强酸性， 可使单原子催化剂上的铁金属单原子在中性条件下发生类芬顿反应； 并且过渡金属盐在制备过程中，高温煅烧后原位分解在载体中，其被 载体包裹，形成核壳结构，并以单原子形式负载在载体表面，不会形 成金属氧化物或者金属纳米颗粒，避免了OH
·
容易被相邻过渡金属 原子猝灭。且该核壳结构有效解决金属浸出而带来铁泥堆积问题，提 高催化剂的稳定性，比传统催化剂(例如硫酸亚铁)更利于回收再利 用；同时类芬顿反应主要依靠OH
·
分解难降解有机物，而OH
·
在水 中半衰期为10
‑6‑
10
‑9S，在理想状态下的极限传质距离为90nm，因此 芬顿反应催化剂的降解效率极差，而本专利技术的局域酸位点改性的单原 子催化剂的碳载体具有强吸附性，表面能够大量吸附有机污染物，缩 短OH
·
传质距离，将两者限制在局部空间里发生有效反应，提高降 解效率。
[0012]优选地，所述的碳载体为BP2000，其具有粒度细，比表面积大， 导电性能优异的特点。
[0013]优选地，所述的过渡金属和载体质量比为1:(50
‑
100)。
[0014]优选地，所述的过渡金属选自Fe。
[0015]优选地，所述的酸为对苯二甲酸。
[0016]本专利技术还提供一种局域酸位点改性的单原子催化剂的制备方法， 包括以下步骤：
[0017]1)制备酸位点改性的碳载体A：配置3mol/L的硝酸溶液备用， 量取200ml硝酸溶液放在圆底烧瓶中，加入磁子，放在磁力搅拌器上 以500rpm的转速开始搅拌，称取100g的BP2000，以50g/min的速 度缓慢加入烧瓶中，10min升温至60℃继续搅拌12h，冷却后使用布 氏漏斗过滤，所得产物放入真空干燥箱烘干，在用行星球磨机研磨至 500nm，即得到酸位点改性的碳载体A；
[0018]2)制备过渡金属单原子前驱体B：将硝酸铁加入乙醇和DMF混 合溶液中，放在磁力搅拌器上以500rpm的转速搅拌，直到完全溶解， 再加入对苯二甲酸，升温至50℃，继续搅拌2h，即得过渡金属单原 子前驱体B；
[0019]3)制备单原子催化剂前驱体：将步骤1)制得的碳载体A以 50g/min的速度加入步骤2)制得过渡金属单原子前驱体B进行超声、 以500rpm转速搅拌混合，加水充分洗涤过滤至中性，烘干，产物用 行星球磨机研磨至500nm，制得粉末；
[0020]4)一步原位生成单原子催化剂：将所得的粉末进行加热处理、 冷却后产物用行星球磨机研磨至500nm，制得局域酸位点改性的单原 子催化剂。
[0021]优选地，步骤2)中所述硝酸铁：对苯二甲酸的摩尔比为1:(1
‑
3)， 所述的混合液的质量为对苯二甲酸的20倍。
[0022]优选地，步骤2)中所述的乙醇与DMF的体积比为1:1。
[0023]优选地，步骤4)中所述加热处理是在5％氢氩混合气气氛中 800℃温度加热2h。
[0024]本专利技术还提供一种局域酸位点改性的单原子催化剂在类芬顿高 级氧化中的应用。
[0025]本专利技术的一种局域酸位点改性的单原子催化剂用于类芬顿高级 氧化，与传统均相催化剂用于芬顿反应相比，具有以下优势：
[0026]1、本专利技术的单原子催化剂的载体上含有局域酸位点，可结合水 分子形成局域强酸条件，能在完全中性条件下保证催化剂发生类芬顿 反应，有效解决本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种局域酸位点改性的单原子催化剂，其特征在于，所述的单原子催化剂由载体和过渡金属组成，所述的载体为酸位点改性的碳载体；所述的过渡金属与酸混合，形成金属配位前驱体，再与载体混合煅烧，过渡金属单原子与碳载体中的C原子相互作用，且以单原子的形式被碳载体包裹而均匀分布在载体表面。2.根据权利要求1所述的局域酸位点改性的单原子催化剂，其特征在于，所述的碳载体为BP2000。3.根据权利要求1所述的局域酸位点改性的单原子催化剂，其特征在于，所述的过渡金属和载体质量比为1:(50
‑
100)。4.根据权利要求3所述的局域酸位点改性的单原子催化剂，其特征在于，所述的过渡金属选自Fe。5.根据权利要求1所述的局域酸位点改性的单原子催化剂，其特征在于，所述的酸为对苯二甲酸。6.一种根据权利要求1
‑
5任一项所述的局域酸位点改性的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备酸位点改性的碳载体A：配置3mol/L的硝酸溶液备用，量取200ml硝酸溶液放在圆底烧瓶中，加入磁子，放在磁力搅拌器上以500rpm的转速开始搅拌，称取100g的BP2000，以50g/min的速度缓慢加入烧瓶中，10min升温至60℃继续搅拌12h，冷却后使用布氏漏斗过滤，所得产物放入真空干燥箱烘干，在用行星球磨机研磨至500nm，即得到酸位点改性的碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵超，王晶，黄红锋，吴宇波，
申请(专利权)人：联科华技术有限公司，
类型：发明
国别省市：