一种含氮磁性水热炭材料和制备方法及其在除Cr(技术

本发明专利技术涉及一种含氮磁性水热炭材料和制备方法及其在除Cr(

【技术实现步骤摘要】
一种含氮磁性水热炭材料和制备方法及其在除Cr(
Ⅵ
)中的应用


[0001]本专利技术属于生物炭材料与光化学
，具体涉及一种含氮磁性水热炭材料和制备方法及其在除Cr(
Ⅵ
)中的应用。

技术介绍

[0002]生物质废弃物是一种具有广泛应用、成本低、可再生的天然高分子材料，具有广阔的应用前景。对于农业中产生的生物质废弃物，燃烧是直接的处理方法之一。然而，燃烧生物质，如秸秆，将释放大气中的固定碳元素，这将加剧温室气体二氧化碳的排放，二氧化碳的过量排放容易导致一系列的环境和生态问题。每年都有大量的生物质废料被焚烧，除了二氧化碳这种温室气体，PM2.5颗粒、粉尘氮氧化物、醛、甲苯、金属或金属氧化物颗粒等许多污染物都是通过这种方式产生的，造成了环境污染。当前对工业和生活中生物废弃物的处理主要为填埋、生物转化以及热处理。然而，垃圾填埋场占用了大量的土地资源，污染了土壤和地下水；生物转化的过程需要很长时间；高温热解将生物质废物转化为气体燃料需要较高的能量输入，且只适用于含水率<5％的生物质。现有的方法对生物质的处理通常使生物质大分子物质转化为可高效利用的小分子。除此之外通过使用水热法或热解法，生物质可以转化为多孔碳、石墨或石墨烯与金属、碳/金属或碳/金属氧化物复合材料。生物质废物处理的产物可用于各种应用，如吸附，生物成像，催化，电容器储能，电极和锂离子电池，CO2还原或制氢等。
[0003]水热法是一种处理生物质废弃物的通用方法，在此过程中，生物质废弃物通常在150/>–
300℃的密封容器中用水或有机溶剂加热，使用水或有机溶剂的蒸汽压力进行处理。水热炭(HTC)处理生物质而不是燃烧，这避免了二氧化碳的排放，有助于减少温室气体的排放。HTC工艺成本相对较低，净排放量几乎为零。生物质产生的HTC用于以下应用：Ⅰ)合成其他中空多孔氧化物材料的模板；HTC的表面含有大量含氧官能团，如羟基和羧基，并能吸附金属离子；HTC模板可以被去除以形成中空金属氧化物结构。Ⅱ)金属催化剂载体；金属可以很好地分散在HTC上，负载在富含中孔的氢碳上的铁纳米颗粒减少了金属纳米颗粒的团聚，这有助于提高催化活性和稳定性。Ⅲ)HTC是一种很有前途的光催化剂，它可以通过生物质的水热处理获得。水热处理后，可以形成HTC，它主要由sp2杂化链组成。sp2杂化的链是具有光活性的，它们可以在可见光照射下产生光激发的电子和空穴。这些光激发载流子能够有助于生成活性氧物种，如
·
OH、
·
O2‑
。自由基可用于有机污染物降解或消毒。因此，HTC可以广泛用作光催化应用中的可见光响应材料。
[0004]在水热炭的光活性研究中发现，尽管HTC的单个聚合物链中的电荷转移是有效的，但聚合物链之间的电荷转移和界面反应的效率是其更广泛应用和高活性的瓶颈。如何有效增加分子链之间的电荷转移和界面反应速率是增强光催化性能的两个关键步骤。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述技术不足，提供一种含氮磁性水热炭材料和制备方法及其在除Cr(
Ⅵ
)中的应用，解决现有技术中水热炭由于聚合物链之间的电荷转移和界面反应的效率瓶颈导致光催化性能低的技术问题。
[0006]为达到上述技术目的，本专利技术提供的技术方案是：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种含氮磁性水热炭材料的制备方法，包括以下步骤：取生物质粉末、铁盐溶液和醇混合，再加入乙酸钠和氮源，得到前驱体溶液；将前驱体溶液在170～190℃进行水热反应，反应结束后所得产物经过后处理得到磁性水热炭材料。
[0008]优选地，生物质粉末是生物质进行清洗、干燥和破碎过筛处理得到的。
[0009]优选地，铁盐溶液采用浓度为4～6mmol/L的氯化铁溶液；生物质粉末和氯化铁溶液的比例为1g：(3～5)mL。
[0010]优选地，醇采用乙二醇；生物质粉末和乙二醇的比例为1g：(40～60)mL。
[0011]优选地，生物质粉末和乙酸钠的质量比为1：(3～8)。
[0012]优选地，生物质粉末和氮源的质量比为1：(0.1～3)。
[0013]优选地，氮源为尿素。
[0014]优选地，水热反应的时间为22～26h；真空干燥温度为60～80℃。
[0015]第二方面，本专利技术提供一种含氮磁性水热炭材料。
[0016]第三方面，本专利技术提供一种含氮磁性水热炭材料作为水体中Cr(
Ⅵ
)的光诱导去除材料的应用。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：
[0018]本专利技术主要通过简单易行的水热法制备了含氮磁性水热炭材料，用于光诱导去除废水中Cr(
Ⅵ
)，N元素的引入在实现了高效转移光电子的同时，在磁性水热炭表面以Fe
2+
和Fe
3+
的转换为电子转移桥梁提高了界面反应速率。在Cr(
Ⅵ
)的去除实验中表现出较强还原性、吸附性和循环稳定性优异的特点；其次，本专利技术工艺简单，通过将生物质直接进行水热反应即可得到目标产物，不需要后期的热处理过程。该方法可行性强，易于放大化，符合绿色化学的特点，利于市场化推广。
附图说明
[0019]图1是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的XRD图；
[0020]图2是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的SEM图；
[0021]图3是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的去除Cr(
Ⅵ
)性能图；
[0022]图4是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的最佳去除Cr(
Ⅵ
)性能图；
[0023]图5是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的去除Cr(
Ⅵ
)循环性能图；
[0024]图6是本专利技术实施例3的含氮磁性水热炭材料的光电流性能图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]术语缩写定义
[0027]HTC：水热炭
[0028]CFO：不引入N的磁性水热炭
[0029]HTCN：含氮水热炭
[0030]本专利技术提供一种含氮磁性水热炭材料及其制备方法，其制备方法可控，工艺简单、符合绿色化学的要求且便于放大化，在此基础上，含氮磁性水热材料还具有优良的光诱导除Cr(
Ⅵ
)性能，可作为重金属Cr(
Ⅵ
)的吸附和还原材料。
[0031]本专利技术含氮磁性水热炭材料中，磁性物质为立方晶系的Fe3O4，物相与卡片号为79
‑
0418的Fe3O4标准样品完全吻合，空间群为Fd
‑
3m。同时氮的引入，增加了生物炭光照下的载流子分离效率。
[0032]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含氮磁性水热炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：取生物质粉末、铁盐溶液和醇混合，再加入乙酸钠和氮源，得到前驱体溶液；将前驱体溶液在170～190℃进行水热反应，反应结束后所得产物经过后处理得到磁性水热炭材料。2.根据权利要求1所述的含氮磁性水热炭材料的制备方法，其特征在于，所述生物质粉末是生物质进行清洗、干燥和破碎过筛处理得到的。3.根据权利要求1所述的含氮磁性水热炭材料的制备方法，其特征在于，所述铁盐溶液采用浓度为4～6mmol/L的氯化铁溶液；生物质粉末和氯化铁溶液的比例为1g：(3～5)mL。4.根据权利要求1所述的含氮磁性水热炭材料的制备方法，其特征在于，所述醇采用乙二醇；生物质粉末和乙二醇的比例为1g：(40～60)m...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁星，金兴智，张晓虎，杨懿，汪佩，陈浩，
申请(专利权)人：华中农业大学，
类型：发明
国别省市：