一种单原子铜催化剂以及合成方法技术

本发明专利技术涉及水处理领域，且公开了一种单原子铜催化剂以及合成方法，将一个铜原子与两个吡啶氮原子锚定，以合成不饱和Cu

【技术实现步骤摘要】
一种单原子铜催化剂以及合成方法


[0001]本专利技术涉及水处理领域，具体为一种单原子铜催化剂以及合成方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着人类生产生活的日益丰富，水体中有机微污染物在数量及种类方面均呈指数型增长。这些微污染物大多来自于人类活动中大量使用的化合物及其残余，以ng
‑
μg/L的浓度存在并广泛分布于各类水体当中，难以被生物降解及去除。即使微污染物在水体中的浓度很低，它们仍时刻威胁着生态及人类健康，并为现有的水处理工艺带来了巨大挑战。
[0003]基于活化过氧单硫酸盐(PMS)和过氧二硫酸盐(PDS)的高级氧化技术(AOP)被认为是降解水体种有机微污染物的有效技术。然而，选择性有限的自由基不可避免地被共存的有机物(例如天然有机物)和无机基质(例如HCO3‑
和Cl
‑
)消耗，阻碍了目标污染物的降解，并增加了卤化副产品造成的毒性。因此，寻求在复杂背景基质下选择性降解水中难降解有机污染物的有效方法对于水净化来说是极其迫切的。
[0004]非自由基氧化作为选择性降解水中难降解有机微污染物的有效路径，对富含电子的有机微污染物表现出明显的选择性降解以及对水中复杂物质的抗干扰特性。作为非自由基氧化路径，通过过硫酸盐活化产生的高价金属对有机微污染物降解的影响受到了广泛关注。PMS/PDS活化产生的强大高价金属，如Fe(V)、Co(IV)和Cu(III)，是直接降解水中有机微污染物的主要活性物种。尽管Cu(III)在污染物降解方面取得了进展，但对于多相催化体系，催化剂中同时存在多个Cu物种(例如Cu0簇、Cu
x
O和单原子Cu)。这种异质性不仅降低了金属的原子利用率，而且仍然是确定活性中心的一大障碍。因此，如何构建一种具有更均匀铜物种的铜基多相催化剂，确定三价铜在过硫酸盐活化和污染物降解中的作用，仍然需要进一步探究，为此我们提出了一种单原子铜催化剂以及合成方法。

技术实现思路

[0005](一)解决的技术问题
[0006]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种单原子铜催化剂以及合成方法，通过该方法合成出铜基单原子催化剂，以解决金属的原子利用率低、稳定性差、活性中心难以确定等问题；
[0007]提供一种污水处理剂——单原子铜催化剂；
[0008]提供上述铜基单原子催化剂在降解新型有机微污染物方面的应用。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)和硝基苯(NB)等。特别地，所述催化剂在降解污染物的过程中需与PDS联用，能通过非自由基途径产生三价铜，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](二)技术方案
[0010]为实现上述所述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种一种单原子铜催化剂，包括0.15mmol
‑
0.35mmol的铜源、1.0mmol
‑
2.0mmol的1,10
‑
菲咯啉一水合物以及50mL乙醇。
[0011]优选的，所述铜源为乙酸铜、二水合氯化铜、硝酸铜、硫酸铜中的至少一种。
[0012]优选的，所述铜源为0.25mmol。
[0013]一种单原子铜催化剂的合成方法，包括以下步骤：
[0014]第一步：将铜源和1,10
‑
菲咯啉一水合物溶解在乙醇中，连续搅拌15分钟，得到溶液A，向溶液A中添加MgO，并在60℃下搅拌过夜；
[0015]第二步：待乙醇完全蒸发后，将剩余固体产物烘干并研磨均匀成研钵中，得到产物B；
[0016]第三步：将产物B在氮气环境中进行焙烧，冷却至室温后，酸洗去除金属残留物及MgO模板，用水冲洗得产物C，直到滤液变为中性，进一步干燥得到不饱和Cu
‑
N2配位结构的单原子铜催化剂Cu
SA
‑
NC。
[0017]优选的，所述第二步中的烘干温度为40℃～80℃，烘干时间为4～12h。
[0018]优选的，所述第三步中的焙烧为在800℃下在氮气环境中以2℃min
‑1加热2小时。
[0019]优选的，所述第三步中的酸洗为用1M的硫酸浸泡12h。
[0020]优选的，所述不饱和Cu
‑
N2配位结构的单原子铜催化剂Cu
SA
‑
NC应用于污水处理中有机污染物的催化降解。
[0021]优选的，所述有机污染物为双酚A、2
‑
氯苯酚、2,4
‑
二氯苯酚或苯酚。
[0022](三)有益效果
[0023]与现有技术相比，本专利技术提供了一种单原子铜催化剂以及合成方法，具备以下有益效果：
[0024]1、该单原子铜催化剂以及合成方法，Cu
SA
‑
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优异的催化活性。
[0025]2、该单原子铜催化剂以及合成方法，Cu
SA
‑
NC成功构建了不饱和Cu
‑
N2配位构型，比饱和Cu
‑
N4配位构型更有利于PDS活化。
[0026]3、该单原子铜催化剂以及合成方法，Cu
SA
‑
NC降解路径为非自由基路径，在复杂基质中对污染物降解表现出明显的选择性和抗干扰性能。
[0027]4、该单原子铜催化剂以及合成方法，Cu
SA
‑
NC具有极好的适用性和稳定性，在连续流动实验中具有良好的耐久性。
[0028]5、该单原子铜催化剂以及合成方法，Cu
SA
‑
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为实施例制得的Cu
SA
‑
NC的XRD图；
[0030]图2为实施例制得的Cu
SA
‑
NC的Cu 2p的XPS图；
[0031]图3为实施例制得的Cu
SA
‑
NC的HAADF
‑
STEM图；
[0032]图4为实施例制得的Cu
SA
‑
NC的Raman图；
[0033]图5为实施例制得的Cu
SA
‑
NC对于BPA、2
‑
CP、PhOH、2,4
‑
DCP、BA和NB的降解曲线图；
[0034]图6为实施例制得的Cu
SA
‑
NC的连续流反应活性评价图。
具体实施方式
[0035]下面将结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单原子铜催化剂，其特征在于，包括0.15mmol
‑
0.35mmol的铜源、1.0mmol
‑
2.0mmol的1,10
‑
菲咯啉一水合物以及50mL乙醇。2.根据权利要求1所述的一种单原子铜催化剂，其特征在于：所述铜源为乙酸铜、二水合氯化铜、硝酸铜、硫酸铜中的至少一种。3.根据权利要求1所述的一种单原子铜催化剂，其特征在于：所述铜源为0.25mmol。4.一种单原子铜催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：将铜源和1,10
‑
菲咯啉一水合物溶解在乙醇中，连续搅拌15分钟，得到溶液A，向溶液A中添加MgO，并在60℃下搅拌过夜；第二步：待乙醇完全蒸发后，将剩余固体产物烘干并研磨均匀成研钵中，得到产物B；第三步：将产物B在氮气环境中进行焙烧，冷却至室温后，酸洗去除金属残留物及MgO模板，用水冲洗得产物C，直到滤液变为中性，进一步干燥得到不饱和Cu
‑
...

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