Cu制造技术

本发明专利技术公开了一种Cu

【技术实现步骤摘要】
Cu
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O@MXene类芬顿催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于纳米复合材料和水处理
，具体涉及一种Cu
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O@MXene类芬顿催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]近几十年来，随着科技的不断进步和经济的快速发展，抗生素在治疗细菌感染方面脱颖而出，已广泛应用于医疗、畜禽和水产养殖等行业领域。然而，接踵而至的滥用和处理不当导致抗生素耐药菌和抗生素耐药基因的产生，从而使得抗生素的治疗能力显著下降。四环素类抗生素(TCs)是天然或半合成的广谱抗生素，迄今为止，中国成为TCs生产和使用的大国，每年约有数十万吨的TCs被消耗。但无论是医用类还是兽用类的TCs，在使用过程中均存在残留，已经在水环境系统中尤其在饮用水中检测到了TCs的存在，这对自然环境和人类健康构成了严重威胁。因此，实现水环境中TCs的有效去除具有重要的意义。
[0003]截止目前，对水中TCs的处理进行了多种技术的尝试，包括生物法、物理法和化学法。由于微生物对抗生素具有一定的抗性，生物法对TCs的去除效果不佳；而物理法只是借助物理作用将TCs转移到材料上，不能实现TCs的彻底去除；除此之外，传统的化学处理技术容易造成二次污染。相比之下，高级氧化技术由于其强氧化性和实用性而被证实可有效去除水环境中的TCs。在现有的高级氧化技术中，基于SO4·
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的AOPs因其氧化能力强、适用pH范围宽和半衰期长等优点而被广泛研究。SO4·
‑
是通过活化PMS产生的，其活化的方式分为均相Fenton活化和非均相Fenton活化这两类。然而，均相Fenton活化法总是存在pH范围窄、回收再利用困难和容易造成二次污染等缺点，在此基础上，非均相类Fenton技术应运而生。在所研究的异质活化剂中，铁氧化物一般在酸性条件下才能实现对有机污染物的高效降解；而钴氧化物具有潜在的生物毒性，容易造成水体的二次污染。相比之下，铜氧化物由于适用pH范围宽、毒性低和储量丰富等优点而受到了广泛的关注。然而，单一的铜氧化物纳米材料由于尺寸较小而容易发生团聚，从而导致金属活性位点被覆盖，催化效率较低。此外，在催化降解过程中，铜离子的溶出量也比较多。针对这些问题，研究者已经进行了大量研究来减少铜氧化物的团聚。其中，一种有效的方法是将铜氧化物纳米颗粒与合适的载体结合形成复合型催化剂以解决上述问题。二维(2D)材料(如g
‑
C3N4、rGO)由于具有丰富的活性中心和高比表面积而被认为是理想的催化剂载体。然而，传统的二维材料一般不携带亲水性基团，从而较难与金属氧化物之间形成强的相互作用，导致使用效果不理想。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种Cu
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O@MXene类芬顿催化剂及其制备方法和应用，本专利技术通过选用MXene作为铜氧化物的载体，由于MXene为多层结构且表面具有丰富的亲水性基团，利于将金属铜离子固定在层空间内从而形成相互作用较强的功能性复合材料，提高复合材料的催化活性和应用效果。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0006]本专利技术的第一个目的是提供一种Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)首先制备MXene：将Ti3AlC2缓慢加入到HF溶液中，在一定温度下刻蚀一定时间，得到多层结构的Ti3C2，即MXene，然后将MXene均匀地分散在蒸馏水中得到MXene分散液；优选的，刻蚀的温度为40～60℃，时间为36
‑
48h；
[0008](2)将铜盐、还原剂和表面活性剂加入水中混合均匀得到反应液；优选的，所述铜盐为Cu(NO3)2·
3H2O，本专利技术中HF刻蚀得到的MXene层间距较小，为实现铜氧化物的成功负载，需制备尺寸较小的铜氧化物，尺寸满足在100nm以下，硝酸铜在水热条件下可以制备得到尺寸处于100nm以下的铜氧化物，实现小尺寸铜氧化物的设计与制备；所述还原剂为水合肼，水合肼具有较强的还原性，能够将二价铜离子还原为较低价态Cu(I)价，甚至可将其还原为Cu(0)价，低价态铜在最终的降解实验中拥有对PMS更强大的活化能力；在众多还原剂中，水合肼的强还原性更利于目标铜氧化物(Cu
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O)的生成；而且在还原过程中自身被氧化成氮气而逸出反应体系，不会给反应产物带来杂质污染；所述表面活性剂为PEG，HF刻蚀得到的MXene密度较小，而且具有良好的亲水性，能够均匀地分散在蒸馏水中得到MXene分散液，为成功构筑多层结构Cu
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O@MXene类芬顿催化剂，就要求所含铜盐的反应液也能够分散均一；而聚乙二醇不仅具有良好的水溶性，而且具有优良的润滑性、保湿性和分散性，能够降低水的表面张力，从而能够将铜盐和水合肼的作用产物悬浮在水溶液中，形成分散性较为均一的悬浮液，而这为后续实现Cu
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O在MXene上的原位均匀生长创造了条件。进一步优选的，所述PEG的平均分子量为1900～2200；所述Cu(NO3)2·
3H2O、N2H4·
H2O、PEG的摩尔比为1:1:1，本专利技术中Cu
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O的制备条件要满足Cu(NO3)2·
3H2O、N2H4·
H2O、PEG的摩尔比为1:1:1，就意味着PEG的分子量越小，实验所使用的PEG的量就越小。此外，分子量为200～600的PEG在常温下为液态，具有较大的粘性，不利于形成分散性良好的铜盐反应液。而PEG分子量过大，其水溶性、有机溶剂的溶解度以及吸湿能力相应降低。为了成功获得尺寸较小的Cu
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O纳米颗粒，本专利技术使用的PEG平均分子量为1900～2200，因为其分子量适中，水溶性和分散性较佳，而且使用量适宜，价格较低；而且能够降低水的表面张力，从而有助于铜盐和水合肼的作用产物悬浮在水溶液中，这为后续的负载创造了条件。
[0009](3)室温环境中将反应液和MXene分散液搅拌混合10
‑
14h，搅拌的转速为180～220rpm，将得到的混合液转移至高温反应釜中进行水热反应，待其冷却至室温，经洗涤、干燥得到多层结构Cu
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O@MXene类芬顿催化剂。水热反应中铜离子经还原剂还原生产铜氧化物(Cu
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O)对应的化学反应式为：Cu(H2O)
32+
(aq)+N2H4·
H2O(aq)
→
Cu
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O+N2↑
。优选的，所述水热反应的温度为160～180℃，时间为6
‑
10h；所述洗涤的方法为采用超纯水和无水乙醇分别交替清洗2
‑
3次；所述干燥为冷冻干燥，冷冻干燥的温度为
‑
40～
‑
77℃，时间为12
‑
24h。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：采用氢氟酸对Ti3AlC2进行刻蚀得到多层结构的Ti3C2，即MXene；将MXene分散在水中得到MXene分散液；将铜盐、还原剂、表面活性剂加入水中混合均匀得到反应液；将反应液和MXene分散液混合均匀后进行水热反应，所得产物经过洗涤、干燥后即得到多层结构Cu
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O@MXene类芬顿催化剂。2.根据权利要求1所述的Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于：采用氢氟酸对Ti3AlC2进行刻蚀的方法为：将Ti3AlC2加入到氢氟酸中，在40～60℃温度中刻蚀36
‑
48h，即得到MXene。3.根据权利要求1所述的多层结构Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于：所述铜盐为Cu(NO3)
2.
3H2O、所述还原剂为N2H
4.
H2O、所述表面活性剂为PEG。4.根据权利要求3所述的Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法，其特征在于：所述PEG的平均分子量为1900～2200；所述Cu(NO3)
2.
3H2O、N2H
4.
H2O、PEG的摩尔比为1:1:1。5.根据权利要求1所述的Cu
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O@MXene类芬顿催化剂的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令涛，周倩倩，李玉莲，谢超，何军勇，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：