[发明专利]一种高效碳纳米纤维基催化剂及其湿式浸渍制备方法

说明书

本发明涉及一种高效碳纳米纤维基催化剂及其湿式浸渍制备方法，主要应用对象为环境有机污染物，属于环境化学领域。本发明提供一种碳纳米纤维基催化剂，包含经预氧化、碳化和湿式浸渍的静电纺纤维，其中所述湿式浸渍使用过渡金属盐的溶液进行处理。

技术领域

本发明涉及一种用于硫酸根自由基氧化的碳纳米纤维基非均相催化剂及其湿式浸渍制备方法，主要应用对象为环境有机污染物，属于环境化学领域。

背景技术

20世纪80年代，高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes，简称AOPs)被开发并广泛用于处理难降解有机污染物。基于硫酸根自由基的高级氧化技术，是通过活化过硫酸盐生成具有强氧化性能的硫酸根自由基，利用其强氧化性来氧化降解有机污染物的新型处理方法。过硫酸与过氧化氢一样含有过氧键，可以看作是过氧化氢的衍生物，但其氧化性均比过氧化氢强，而且主要以固体过硫酸盐的形式存在，比过氧化氢更方便储存和运输。但由于过硫酸盐比较稳定，参与氧化还原过程往往很慢，如果有外加能量或者催化剂存在，反应会变得特别迅速，是因为在体系中产生了新的活性物种——硫酸根自由基，其氧化能力强于过硫酸盐本身，在氧化过程中起到了关键作用。过渡金属活化过硫酸盐，降低了反应的活化能，使硫酸根自由基的相关反应反应可以在常温常压下进行，反应条件温和，可以有效促进反应的进行。其中，钴化合物因其较好的催化效果和相对低成本成为硫酸根自由基氧化催化研究的重点之一。

然而，基于硫酸根自由基的高级氧化技术的应用还受到很多因素，例如催化剂性能、反应体系等的影响。因此，开发具有改善性能的催化剂，对于硫酸根自由基的高级氧化技术的进一步发展以及在处理环境污染物方面的产业化应用具有积极深远的意义。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种碳纳米纤维基催化剂，包含经预氧化、碳化和湿式浸渍的静电纺纤维，其中所述湿式浸渍使用过渡金属盐的溶液进行处理。

根据本发明，在预氧化、碳化后，使用过渡金属盐的溶液，例如水(如蒸馏水)溶液进行湿式浸渍处理。优选地，在湿式浸渍处理后，还进行烘干和高温处理。

根据本发明，所述烘干可以在30～80℃的温度下进行；所述高温处理可以采用以0.5～5℃/min的速率升温到750～1200℃，随后保持750～1200℃高温过程0.5～5h。例如以3～5℃/min的速率升温到800～1000℃，例如900℃，随后保持800～1000℃，例如900℃氧化过程1～2h。

根据本发明，在经湿式浸渍处理和烘干后，所述静电纺纤维含有过渡金属氧化物。

根据本发明，所述静电纺纤维含有聚丙烯腈。例如，所述静电纺纤维由聚丙烯腈制备。

所述经预氧化、碳化和湿式浸渍的静电纺纤维作为催化剂载体。所述静电纺纤维可以通过将聚丙烯腈的溶液(例如在有机溶剂中的溶液)置于注射器中，使用喷射针头，如点胶针头进行。作为实例，所述静电纺方法可采用如下参数：电压20kV，固定喷丝头与收集板之间距离为15cm，固定喷丝头孔径为0.8mm，注射器的推进速度1mL/h。

根据本发明的催化剂，所述预氧化可以使静电纺纤维稳定化。

所述预氧化温度可以为250～300℃。其具体过程可以例如以0.5～5℃/min速率升温到250～300℃，并保持250～300℃的预氧化温度0.5～5h，例如以5℃/min的速率升温到300℃，并保持300℃的碳化温度1h。

根据本发明的催化剂，所述碳化为高温碳化。所述高温碳化的温度为600～1000℃，例如800～900℃。高温碳化的过程可以例如以1～10℃/min的速率升温到600～1000℃，并保持600～1000℃的碳化温度0.5～5h，例如2℃/min的速率升温到800～900℃，并保持800～900℃的碳化温度1h；并且，整个碳化过程中需保持惰性气体氛围，例如氮气、氦气、氩气气氛或其中两种或更多种的混合气氛，并定期(例如每隔15min)排出高温炉中废气。