一种高金属载量的亚微米碳铁复合材料的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种微纳米零价铁材料的制备方法及其应用，通过通过浸渍

【技术实现步骤摘要】
一种高金属载量的亚微米碳铁复合材料的制备方法及应用


[0001]本专利技术涉及功能性复合材料领域，尤其涉及的是一种高金属载量的亚微米碳铁复合材料的制备方法及应用

技术介绍

[0002]高级氧化剂技术，通过添加催化剂活化产生高活性的硫酸根自由基、羟基自由基、超氧阴离子自由基和单线态氧等活性氧物种，可将有机污染物氧化降解甚至完全矿化为二氧化碳和水，在有机污染土壤修复方面具有巨大应用前景。铁基催化剂，尤其是亚微米和纳米级零价铁催化剂，因其价格低廉、环境友好、电子含量丰富，作为催化剂被广泛应用于高级氧化技术。然而，微纳米零价铁存在易钝化，易团聚，电子利用率低等缺陷，需要通过修饰改性提高其催化活性。
[0003]碳质材料，作为一种新型多功能材料，具有比表面积大、孔结构发达、含氧基团丰富等优势，被广泛应用于微纳米零价铁的修饰，制备成碳铁复合材料。目前制备碳铁复合材料的方法主要有共沉淀、水热、浸渍、热解、液相还原、机械球磨，制备过程涉及其中的一种或多种方法，制备的碳铁复合材料按照结构可分为负载型和包裹型两种。机械球磨法是一种操作简单的材料制备方法。球磨过程中，铁碳两相在离心力和剪切力的作用下同时发生物理化学变化，铁碳发生破碎重新自组装结合，得到不同结构性质的材料。球磨过程，同时受原料物理化学性质、铁碳原料比、球磨珠的大小和添加量以及球磨参数的影响。球磨过程中，通过改变前体物和球磨参数，能够设计出不同结构和催化性能的铁碳复合材料。
[0004]然而，负载型碳铁复合材料整体粒径大，铁负载量低，催化催化容量有限，在土壤中的迁移传质性较差。因此，以生物炭和零价铁为原料制备具有双亲性(亲水亲脂性)、高传质性、高金属载量、高电子利用率的铁碳复合材料材料是当前高级氧化催化材料制备的研究热点，对有机污染土壤的高效修复意义重大。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种通过氮掺杂生物炭与零价铁的共球磨自组装制备得到具有双亲性、高金属载量的亚微米零价铁。氮掺杂生物炭能够通过自然生物质与氮源的浸渍共热解制备得到，采用天然生物质，如农林废弃物等为原料，不仅能够减少焚烧造成的环境污染负担，而且能够实现资源再利用，通过热解
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球磨制备的高附加值双亲性、高金属载量亚微米碳铁复合材料能够高效活化过硫酸盐修复有机污染土壤，且具有制备工艺简单、原料来源广泛、环保无二次污染等优势。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种亚微纳米铁碳复合材料的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S1浸渍
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热解制备氮掺杂生物炭
[0009]S11将生物质研磨成粉，将生物质粉末与氮源前体化合物置于容器中，随后向容器中加入质量2
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20倍于生物质粉末的水进行浸渍，将容器置于摇床中震荡，干燥后制得吸附
氮源的生物质；
[0010]S12将吸附氮源的生物质置于热解炉中，在氮气气氛下，以1
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10℃升温速率升温，恒温热解0.5
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5h,自然冷却后取出黑色固体，用去离子水冲洗三次，抽滤、干燥后得氮掺杂生物炭。
[0011]S2机械球磨法制备亚微纳米铁碳复合材料
[0012]将S1制备得到的氮掺杂生物炭和还原铁粉加入球磨罐中，称取一定质量的玛瑙珠加入球磨罐中，向球磨罐中冲入氮气，密封后置于球磨机中，调节球磨机程序为正转、反转交替进行，球磨一定时间后制得亚微纳米铁碳复合材料。
[0013]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S11中生物质包括但不限于农林废弃物。
[0014]优选的，作为一个较佳的实施例，所述氮源前体化合物为尿素、三聚氰胺、氯化铵中的一种或多种。
[0015]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S11中生物质粉末与氮源前体化合物的质量比为1:0.5
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2。
[0016]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S11中震荡的条件与 120
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180rpm震荡10
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48h。
[0017]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S11中的干燥方式包括但不限于烘干、晒干、冷冻干燥。
[0018]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S12中升温至700
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900℃。
[0019]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S12中去离子水冲洗的用量为氮掺杂生物炭质量的50
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200倍。
[0020]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S12中的热解炉包括气氛炉和管式炉。
[0021]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S2中氮掺杂生物炭和还原铁的质量比为0.01
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0.2:1。
[0022]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S2中还原铁粉为粒径为 5
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500um的零价铁。
[0023]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S2中氮掺杂生物炭和还原铁粉的总重量与玛瑙珠的重量比范围为25:20
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120。
[0024]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S2中球磨机程序为正转 30min、停10min，反转30min、停10分钟交替进行。
[0025]优选的，作为一个较佳的实施例，所述S2中球磨的条件为 150
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350rpm下球磨4
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24h。
[0026]本专利技术的另一目的在于提供一种本专利技术的制备方法制备得到的亚微纳米铁碳复合材料。
[0027]本专利技术的另一目的还在于提供一种亚微纳米铁碳复合材料的应用。
[0028]优选的，作为一个较佳的实施例，所述应用包括如下步骤：
[0029]称取一定质量的多环芳烃污染土壤于棕色带盖玻璃瓶中，加入 S2制备得到的亚微纳米铁碳复合材料和去离子水混合均匀，加入氧化剂引发反应，其中，污染土壤、亚微纳米铁碳基复合材料和去离子水的质量比为2:0.01
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0.05:4
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10。
[0030]优选的，作为一个较佳的实施例，所述氧化剂的浓度为50
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500m M。
[0031]优选的，作为一个较佳的实施例，所述氧化剂为过氧化氢、过一硫酸盐、过二硫酸
盐中的一种或多种。
[0032]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0033](1)本专利技术利用常见废弃生物质如稻草秸秆、枯枝落叶和餐厨垃圾等，制备了高附加值、高催化性能的亚微米碳铁复合材料。本专利技术为废弃生物质的高效利用提供了新思路，减少废弃生物质不恰当处理造成的环境污染，制备工艺简单、耗能小、成本低，制备的材料应用于环境修复不会造成二次污染，属绿色环保催化剂。
[0034](2)本专利技术通过简单氮掺杂过程进一步提升材料性能，主要表现为三方面。首先，氮掺杂能够在生物炭表面形成吡啶氮、吡咯氮和石墨氮等掺杂缺陷，能够诱导材料中电子向氮掺杂缺陷处的定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亚微纳米铁碳复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1浸渍
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热解制备氮掺杂生物炭S11将生物质研磨成粉，将生物质粉末与氮源前体化合物置于容器中，随后向容器中加入质量2
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20倍于生物质粉末的水进行浸渍，将容器置于摇床中震荡，干燥后制得吸附氮源的生物质；S12将吸附氮源的生物质置于热解炉中，在氮气气氛下，以1
‑
10℃升温速率升温，恒温热解0.5
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5h,自然冷却后取出黑色固体，用去离子水冲洗三次，抽滤、干燥后得氮掺杂生物炭；S2机械球磨法制备亚微纳米铁碳复合材料将S1制备得到的氮掺杂生物炭和还原铁粉加入球磨罐中，称取一定质量的玛瑙珠加入球磨罐中，向球磨罐中冲入氮气，密封后置于球磨机中，调节球磨机程序为正转、反转交替进行，球磨一定时间后制得亚微纳米铁碳复合材料。2.根据权利要求1所述的一种亚微纳米铁碳复合材料的制备方法，其特征在于，所述生物质包括但不限于农林废弃物。3.根据权利要求1所述的一种亚微纳米铁碳复合材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鹏，王新华，孙红文，王翠苹，黄鹏，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：