一种碳氮材料负载单原子铜催化剂及其合成方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳氮材料负载单原子铜催化剂及其合成方法与应用，该方法包括以下步骤：(1)制备溶液A，然后加入溶液B中，得到固体产物A；(2)将固体产物A与二氰二胺混合，研磨成研钵中的B；(3)将均质前驱体B焙烧，然后退火，冷却至室温后，将产物用硫酸浸泡，干燥得到所述氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂SA

【技术实现步骤摘要】
一种碳氮材料负载单原子铜催化剂及其合成方法与应用


[0001]本专利技术属于水处理领域，具体涉及一种碳氮材料负载单原子铜催化剂及其合成方法与应用。

技术介绍

[0002]近年来，随着城市化发展，人类的生产生活日益丰富，导致大量新兴难降解有机污染物的产生。经过污水厂的常规处理后，废水中仍有部分难降解有机污染物残留，难以将其有效去除。由于这类新兴难降解有机污染物成分复杂且毒性较强，一旦进入地表水、土壤以及人们生活必需的饮用水源中，会对生态环境以及人类健康造成潜在危害。因此，开发高效、环保的水处理技术迫在眉睫，且对生态环境保护具有深远的意义。
[0003]过硫酸盐活化技术作为一种新型高级氧化技术，与传统的芬顿氧化法相比，其在反应过程中生成的SO4·
‑
氧化能力更强、pH适用范围更广且寿命更长，大部分有机污染物都能被降解。因此，过硫酸盐活化技术逐渐成为去除新兴有机污染物潜在的选择技术。过硫酸盐活化方式分为均相活化和非均相活化。均相过硫酸盐活化操作过程简单、高效、污染物降解效果较好，但其成本高，难以回收利用以及造成二次污染等缺陷的存在导致无法更加广泛地被应用。
[0004]多相过硫酸盐催化剂的出现设定程度上克服了均相过硫酸盐活化的一些缺点，比如不需要恒定能量、催化剂可循环使用、pH响应范围宽、催化剂与反应体系易于分离等。但是多相过硫酸盐催化剂仍然存在金属离子溶出、处理成本高、耐久性差、碱性条件下活性差等问题。因此需要寻找一种将两者优势都结合的催化剂应用于过硫酸盐活化。
[0005]单原子催化剂是将金属元素以单个原子的形式负载在固体载体表面的一种新型催化剂，其因具有原子利用率高、活性位点多和稳定性强等传统多相催化剂所不具备的优点而得到广泛研究，并对新兴有机污染物表现出了良好的污染物降解效率和全新的反应机理。然而，在目前应用于过硫酸盐活化的多相催化剂中，单原子铜催化剂较少被研究。因此，如何开发新型单原子铜催化剂，进一步降低金属利用率的同时提高催化剂催化活性成为了当前的热点问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供一种碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法，通过该方法合成出铜基单原子催化剂，以解决多相过硫酸盐催化剂活性差、稳定性差、金属组分利用率低等问题。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供一种污水处理剂——单原子铜催化剂。
[0008]本专利技术的目的之三还在于提供上述铜基单原子催化剂在降解新型有机污染物方面的应用。所述有机污染物包括双酚A(BPA)、2
‑
氯苯酚(2
‑
CP)、2,4
‑
二氯苯酚(2,4
‑
DCP)、苯甲酸(BA)、硝基苯(NB)和布洛芬(IBU)等。特别地，所述催化剂在降解污染物的过程中需与PMS联用，能通过非自由基途径产生单线态氧(1O2)协同电子转移作用，在复杂基质条件下攻
击并分解有机污染物。此外，本专利技术方法所合成的目标催化剂也可应用于水环境修复以外的其它领域。
[0009]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0010]一种碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011](1)将1,3,5
‑
均苯三甲酸溶解在设定比例的去离子水和乙醇中，得到溶液A，然后加入到含有铜源和l
‑
谷氨酸的溶液B中，在室温下搅拌一段时间后，收集得到的沉淀物并用去离子水洗涤，并在60℃下干燥，得到固体产物A，其中，1,3,5
‑
均苯三甲酸为0.5g
‑
2.0g，铜源为1.0g
‑
4.0g，l
‑
谷氨酸为0.5g
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2.0g；
[0012](2)将固体产物A烘干并研磨均匀，与二氰二胺混合，并将混合物研磨成研钵中的B；
[0013](3)将研磨均匀的均质前驱体B在氩气氛围中进行焙烧，然后在氩气气氛中以800℃退火，冷却至室温后，将产物用设定浓度的硫酸浸泡，除去金属残留物，进一步干燥得到所述氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂SA
‑
Cu
‑
NC。
[0014]优选地，在步骤(1)中，铜源为二水合氯化铜、硝酸铜、硫酸铜、醋酸铜的至少一种。
[0015]优选地，步骤(3)中的焙烧温度为800℃；焙烧时间为3h；焙烧的升温速率为3℃/分钟。
[0016]优选地，步骤(1)中，所述的铜源溶解的温度为室温，溶液浓度为4.184mg/mL，铜源溶液加入量为500mL。
[0017]优选地，步骤(2)中的烘干温度为40℃～80℃；烘干时间为2～12h。
[0018]优选地，在步骤(3)中，焙烧完成并冷却后还进行酸洗以及烘干步骤。
[0019]优选地，在步骤(2)中所述的二氰二胺的投加量与所述的固体产物A的质量比为优选10:1。
[0020]一种碳氮材料负载单原子铜催化剂，所述的一种碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法制得。
[0021]一种氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂的应用，所述氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂用于污水处理领域。
[0022]优选地，所述氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂用于对有机污染物的催化降解，所述有机污染物为双酚A、2
‑
氯苯酚、2,4
‑
二氯苯酚或苯酚。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：
[0024](1)本专利技术的SA
‑
Cu
‑
NC为单原子结构，对双酚A、2
‑
氯苯酚、2,4
‑
二氯苯酚等富电子污染物均表现出很好的催化降解效果以及选择性。
[0025](2)本专利技术的SA
‑
Cu
‑
NC成功构建了内部微电场，提高电子转移速率，有利于对有机污染物的催化降解。
[0026](3)本专利技术的SA
‑
Cu
‑
NC降解路径为非自由基路径，在复杂水质中仍表现出很好的催化降解效果，抗干扰能力强。
[0027](4)本专利技术的SA
‑
Cu
‑
NC具有极好的适用性和稳定性，连续流反应实验对BPA的降解效果良好。
[0028](5)本专利技术的SA
‑
Cu
‑
NC属于固体催化剂，便于与水分离，可回收重复利用。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例制得的SA
‑
Cu
‑
NC的XRD图；
[0030]图2为本专利技术实施例制得的SA
‑
Cu
‑
NC的Cu 2p的XPS图；
[0031]图3为本专利技术实施例制得的SA
‑
Cu
‑
NC的HAADF
‑
STEM图；
[0032本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将1,3,5
‑
均苯三甲酸溶解在设定比例的去离子水和乙醇中，得到溶液A，然后加入到含有铜源和l
‑
谷氨酸的溶液B中，在室温下搅拌一段时间后，收集得到的沉淀物并用去离子水洗涤，并在60℃下干燥，得到固体产物A，其中，1,3,5
‑
均苯三甲酸为0.5g
‑
2.0g，铜源为1.0g
‑
4.0g，l
‑
谷氨酸为0.5g
‑
2.0g；(2)将固体产物A烘干并研磨均匀，与二氰二胺混合，并将混合物研磨成研钵中的B；(3)将研磨均匀的均质前驱体B在氩气氛围中进行焙烧，然后在氩气气氛中以800℃退火，冷却至室温后，将产物用设定浓度的硫酸浸泡，除去金属残留物，进一步干燥得到所述氮掺杂碳负载铜基单原子催化剂SA
‑
Cu
‑
NC。2.根据权利要求1所述的碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法，其特征在于，在步骤(1)中，铜源为二水合氯化铜、硝酸铜、硫酸铜、醋酸铜的至少一种。3.根据权利要求1所述的碳氮材料负载单原子铜催化剂的合成方法，其特征在于，步骤(3)中的焙烧温度为800℃；焙烧时间为3h；焙烧的升温速率为3℃/分钟。4.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡春，李凡，陆志聪，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：