一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂及其制备方法，包括单原子态重金属，所述单原子态重金属表面覆盖有碳纳米管，所述碳纳米管具有多孔结构。所述单原子催化剂的制备方法包括如下步骤：S1、将碳基吸附剂加入吸附滤池中，对含重金属的电镀废水进行过滤；S2、将所述碳基吸附剂进行吸附、再生，重复若干次直至废水中重金属浓度不再变化，得到废弃吸附剂；S3、将所述废弃吸附剂和含氮有机物均匀混合后，进行程序升温碳化，得到所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂。该催化剂成本较低，具有导电性好、对CO选择性极佳的特点，并且大大降低了固废与重金属对环境的危害，具有广阔的市场前景。具有广阔的市场前景。具有广阔的市场前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于固废再利用领域，特别涉及一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]工业革命的到来意味着人类对于能源的利用效率再次上升到一个新的台阶。然而过渡消耗化石燃料来获取其中的热能、电能以及化石能的同时，大量的C元素以稳定的CO2气体的形式排放至大气中。这种能吸收红外辐射热的气体是全球气候变暖的主要推手之一。据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的最新数据显示，全球大气中CO2浓度再创新高，突破419ppm。而根据巴黎协定以及国际能源署的推算和要求，若不能在本世纪中旬将全球升温控制在1.5℃以内，未来将会产生灾难性的后果。因此主动进行碳捕获与转化已经成为人们关注的焦点与研究热点。
[0003]电催化还原CO2(ECO2RR)可以将过多的CO2转化为更加稳定的形式减少对大气的影响。转化成的产物如甲烷、CO、甲醇等是重要的化工原料，因此ECO2RR是一种潜在的负碳技术。此外利用单原子级别的催化剂(SACs)可以在极小的投加量的情况下获得最大的转化效率，因此ECO2RR具有充分的市场前景。
[0004]目前SACs的制备主要是以石墨烯、金属有机框架(MOFs)、共价有机框架(COFs)、碳纳米管(CNTs)等碳基底材料锚定重金属原子或者Ag和Au等贵金属，这些催化剂导电性极佳，且可以高效将CO2转化为纯度较高的CO、甲酸、甲醇、乙醇等燃料或化工生产的原材料。
[0005]然而，目前的SACs的制备中尚且存在以下问题：
[0006](1)合成SACs碳基质的价格过高：
[0007]以石墨烯、COFs、MOFs、CNTs等物质作为碳基质会大幅度拉高催化剂成本。这些碳基质的制备十分复杂，单位成本过于高昂，价格可从数十元每克到数百元每克。此外，部分碳基质材料合成方法繁琐，产率较低。以MOFs中常用的ZIF
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8为例，其合成需要将硝酸锌与二甲基咪唑在甲醇溶液中混合制备框架，再吸附贵重金属，高温碳化后，贵金属才能替代中心原子锌生成SACs。这样制备的SACs的产率通常小于5％，这主要是由于ZIF
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8的产率极低，会浪费大量的二甲基咪唑和硝酸锌。
[0008](2)贵金属的价格同样十分高昂
[0009]传统的SACs的制备是以Ag、Au、Pt等贵金属作为催化剂，虽然合成SACs的时候这些贵金属的投加量相对较少，但是数百元每克(Au与Pt的价格约400元每克)的价格仍会进一步抬高催化剂的制作成本。
[0010]综上所述，如何找到昂贵碳基底材料和贵金属的替代产品，从而大大削减物料投入进而减小成本，并解决现有技术存在的缺陷，是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0011]为克服上述缺陷，本专利技术以废弃的重金属吸附剂为原料，仅添加含氮有机物，通过调控程序升温实现了高性能的用于CO2还原的单原子催化剂的制备。该催化剂具有导电性好、对CO选择性极佳的特点。另一方面，本专利技术以水处理废弃物为原料制备催化剂，充分实现了固废的高价值回收以及重金属的稳定化，降低了固废与重金属对环境的危害。并且由于不涉及传统SACs碳基底材料以及贵金属的制备，可以极大的降低催化剂的成本，使原来数百元每克的催化剂成本以数量级形式下降。因此本专利技术具有广阔的市场前景。
[0012]本专利技术的一个目的在于，提供一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，包括单原子态重金属，所述单原子态重金属表面覆盖有碳纳米管，所述碳纳米管具有多孔结构。
[0013]进一步地，所述重金属选自镍、镉、铜、铁、钴、锰、铬、锌、铅、锑中的一种或多种。
[0014]进一步地，所述重金属为镍。
[0015]进一步地，所述碳纳米管的直径为150
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250nm。
[0016]本专利技术的另一个目的在于，提供上述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂的制备方法，包括如下步骤：
[0017]S1、将碳基吸附剂加入吸附滤池中，对含重金属的电镀废水进行过滤；
[0018]S2、将所述碳基吸附剂进行吸附、再生，重复若干次直至废水中重金属浓度不再变化，得到废弃吸附剂；
[0019]S3、将所述废弃吸附剂和含氮有机物均匀混合后，进行程序升温碳化，得到所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂。
[0020]进一步地，所述含重金属的电镀废水中镍元素的含量为150
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250mg/L。
[0021]进一步地，所述碳基吸附剂选自活性炭、生物炭、大孔树脂中的一种或多种。
[0022]进一步地，所述含氮有机物选自双氰胺、三聚氰胺、三聚氰氯、尿素、硫脲中的一种或多种。
[0023]进一步地，步骤S3中，所述废弃吸附剂和含氮有机物的质量比为1:(5
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10)。
[0024]进一步地，步骤S3中，所述程序升温碳化为：以2
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5℃/min升温至500
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600℃，然后保持5
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8h；再以3
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6℃/min升温至900
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1100℃，然后保持2h。
[0025]本专利技术中，对于重金属废水中单一重金属的优先度有一定要求，即主要重金属的浓度对于其他重金属的浓度要具有显著差距，本专利技术以电镀厂含镍的电镀废水为主要重金属来源，其中Ni的含量为182.94mg/L，其余重金属(主要有Cd、Cu、Fe、Co、Mn)的浓度均小于5mg/L。
[0026]值得一提的是，在本专利技术中，通过特定程序升温手段可调控催化剂中重金属的尺寸大小，能够制备具有单原子态的重金属元素，并且在该重金属表面能够生成具有多孔结构的碳纳米管，大大提升了催化剂的催化效率。升温程序包括三个阶段：第一阶段为室温至550℃，第二阶段为550℃维持时间，第三阶段为550℃升温至1000℃。第一阶段的主要作用是使C3N4稳定形成，第二阶段的作用是为了进一步稳定化C3N4，第三阶段的作用则是为了C3N4的解体。
[0027]进一步地，生成高效稳定的单原子催化剂的程序升温控制如下：
[0028]第一步：以2.5℃/min的升温速度从室温升至550℃；
[0029]第二步：维持550℃6h；
[0030]第三步：以5℃/min的升温速度从550℃升至1000℃，并在1000℃维持2h，随后自然冷却。
[0031]本专利技术的有益效果如下：
[0032]1、本专利技术的基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，原料廉价易得、来源广泛，且制备方法简单，仅需对升温速度进行调控即可，可大规模制备，产率高。
[0033]2、本专利技术的催化剂原料为常见的水处理工艺的废弃物，属于危废，对环境有较大危害，对其充分利用可以实现固废的高价值回收并且减少对环境的污染。
[0034]3、通过本专利技术特定的制备方法，能够得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，其特征在于，包括单原子态重金属，所述单原子态重金属表面覆盖有碳纳米管，所述碳纳米管具有多孔结构。2.根据权利要求1所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，其特征在于，所述重金属选自镍、镉、铜、铁、钴、锰、铬、锌、铅、锑中的一种或多种。3.根据权利要求2所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，其特征在于，所述重金属为镍。4.根据权利要求1所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂，其特征在于，所述碳纳米管的直径为150
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250nm。5.权利要求1
‑
4任一项所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将碳基吸附剂加入吸附滤池中，对含重金属的电镀废水进行过滤；S2、将所述碳基吸附剂进行吸附、再生，重复若干次直至废水中重金属浓度不再变化，得到废弃吸附剂；S3、将所述废弃吸附剂和含氮有机物均匀混合后，进行程序升温碳化，得到所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原子催化剂。6.根据权利要求5所述基于废弃吸附剂的用于CO2还原的单原...

【专利技术属性】
技术研发人员：路璐，周佰勤，李志达，张春月，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学深圳，
类型：发明
国别省市：