[发明专利]一种高分散负载型纳米金属Fe基催化剂的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于Fe基催化剂技术领域，特别是涉及一种高分散负载型纳米金属Fe基催化剂的制备方法。该催化剂用于有机染料亚甲基蓝的降解。

背景技术

芬顿(Fenton)试剂是由亚铁离子(Fe²⁺)和过氧化氢(H₂O₂)组成的体系。它能生成强氧化性的羟基自由基，能够快速地氧化难降解的有机物。芬顿试剂高级氧化技术一直受到国内外学者广泛的关注。然而，均相芬顿催化剂存在很多缺点，例如Fe²⁺在溶液中形成铁污泥造成二次污染，处理后废水的色度增大，不容易回收且铁的含量损失严重等。因此，如何将Fenton反应中的Fe²⁺固化，制备非均相催化剂是研究的重点之一。与传统的均相体系相比，非均相芬顿催化剂具有易分离和重复利用的能力，能够节约运行成本，同时避免铁污泥的产生。到目前为止，已经有许多非均相芬顿催化剂被合成出来。例如在文献Appl. Catal. B: Environ. 2008 83：131-139中，Costa等制备出高活性的非均相Fe⁰/Fe₃O₄芬顿催化剂。但是，其中一些含Fe³⁺的催化剂由于反应较慢，必须通过紫外照射加速Fe³⁺还原为Fe²⁺，对于这种光助芬顿试剂需要更高的成本，而且催化剂要求对光是敏感的。值得注意的是，具有高比表面和高表面活性的铁纳米粒子催化剂能够加速芬顿反应(Chem. Eng. J., 2011,172:258-266 )，这是由于其在反应中能生成较高活性的Fe²⁺物种, 因此称之为类芬顿催化剂。

碳纳米材料由于具有特殊的结构和优良的性能, 如高比表面、较高的导电性、导热性以及较高的机械强度和致密的结构，在催化剂载体、储氢材料、电容器、传感器和电屏蔽材料等领域被广泛应用。其中碳纳米管（CNTs）被认为是一个良好的催化剂载体。金属不仅可以作为生长碳纳米管的催化剂，其与碳纳米管的结合形成的复合材料还具有优良的催化性能。与传统的浸渍方法制备Fe/CNTs相比，利用过渡金属Fe直接催化生长碳纳米管，使金属活性中心被碳纳米管包覆并与碳纳米管紧密结合，能够克服金属粒子的流失，提高复合材料中金属粒子的催化活性。然而，作为生长碳纳米管的金属粒子的团聚情况会直接影响到生长的碳纳米管的产率和结构规整程度。因此，解决金属粒子的团聚问题是非常重要的。如何选择合适的载体，使金属活性粒子能够高分散在载体上，使其催化生长出结构规整的碳纳米管包覆金属粒子的复合材料，从而大大地提高复合材料的催化活性。

层状双金属氢氧化物(LDHs)，其分子式为[M²⁺_(1-x) M³⁺_x (OH)₂]^x+(A_x/n)^n-. mH₂O，是一种具有典型层状结构的阴离子型粘土材料。由于其组成M²⁺， M³⁺以及尺寸的可调控性，在催化领域有着重要的应用。以LDHs作为前体经高温煅烧和还原后，可得到负载型金属催化材料。但是此类催化材料在制备过程中由于层板坍塌致使位于层板或层间的金属物种还原后形成的金属粒子容易团聚，从而降低了催化性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分散负载型纳米金属Fe基催化剂的制备方法，并将其作为类芬顿催化剂用于有机染料的降解，催化剂结构新颖独特，且催化剂稳定性强，因而具有广泛的应用前景。

本发明通过插层组装方法制备出含铁配位离子插层的MgAl-LDHs前体，然后以甲烷为气源,再通过化学气相沉积方法一步同时还原出铁纳米粒子和生长出多壁碳纳米管，得到镁铝复合金属氧化物负载的多壁碳纳米管包覆铁纳米粒子的高分散铁基催化剂。其结构特征是铁纳米粒子被多壁碳纳米管包覆后负载在镁铝复合金属氧化物表面，其中多壁碳纳米管的平均直径为1.5-7.5nm, 催化剂中多壁碳纳米管的质量百分含量为10~15%；铁纳米金属颗粒的平均粒径为0.5~4.5nm，催化剂中铁的质量百分含量为2~8%。

上述高分散铁基纳米催化剂的制备方法如下：