[发明专利]零价铁/碳材料催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种零价铁/碳材料催化剂及其制备方法。所述方法是将洗净的纤维素原材料浸渍在单宁酸与硝酸铁的混合溶液中，超声混合均匀，收集纤维素原材料，将干燥的纤维素原材料置于氮气氛围中，升温至800～1000℃碳化得到零价铁/碳催化剂。本发明的Fe/C催化剂通过引入铁来调节碳材料的石墨化程度，提高碳材料的催化活性，其活化过硫酸盐的催化活性高，在浓度为20ppm的双酚A，氧化剂浓度为20ppm，温度为25℃，催化剂投加量为600mg/L的条件下，催化降解效率在30min内达到100％，并且催化剂易回收，可循环使用。

技术领域

本发明涉及一种零价铁/碳材料催化剂及其制备方法，属于水处理材料制备技术领域。

背景技术

高级氧化技术(Advanced oxidation processes,AOPs)作为迅速发展的水处理技术，具有氧化能力强、反应速率快、适用范围广的特点，通过产生高活性的活性氧组分，直接氧化有机污染物来提高可生化性，广泛应用于难降解有机废水、痕量污染物的去除。传统的芬顿反应(Fenton)作为经典的高级氧化技术，通过二价铁离子与双氧水反应产生具有强氧化性的羟基自由基(OH·)来降解水中的有机污染物，但是反应需要在酸性条件下进行，容易产生铁泥，双氧水利用率低。这些缺点严重限制了Fenton反应的应用前景。与Fenton反应相比，基于硫酸根自由基(SO4^·-)的AOPs技术拥有以下的优势：SO4^·-拥有更高的氧化电位(2.5-3.1V)，具有更强的氧化能力，优越的pH适应性，良好的有机物选择性。这让它成为代替OH·的很好的选择，因而基于SO4^·-的AOPs技术具有广阔的应用前景。

通过催化剂来催化过硫酸盐(PMS)来产生硫酸根自由基是最有效的途径。目前应用最广泛、效果最好的催化剂是钴基催化剂，四氧化三钴在20min内对一定浓度的双酚A的降解效率可以达到95％以上。然而在反应后钴离子的沥出会导致水中有毒重金属含量增加，造成二次污染。与其相比，碳材料不但拥有良好的催化活性，而且无毒无害，因而被应用于催化PMS产生自由基的反应中。碳材料催化剂例如石墨烯，碳纳米管，纳米金刚石等被广泛研究。例如，通过水热法来合成氮掺杂的氧化石墨烯催化剂(Carbon2016,102,279-287.)。类似的，多层碳纳米管用于降解有机污染物的实例也被报道(J.Mater.Chem.A,2018,6,3454)。碳材料的催化性能与碳的配置相关。sp²-杂化的石墨烯比sp²/sp³杂化的富勒烯和sp³杂化的金刚石晶体的催化活性更高。因此，石墨化对碳材料催化PMS产生自由基的过程具有重要的影响。一般的碳化过程是很难提高碳材料的石墨化程度的。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易、高效、可循环使用的零价铁/碳材料催化剂及其制备方法。该方法利用铁增强了碳材料的石墨化程度，提高碳材料的催化活性。

实现本发明目的的技术方案如下：

零价铁/碳(Fe/C)催化剂的制备方法，通过单宁酸与铁离子络合，再通过氢键作用吸附于脱脂棉上，最后热处理，制得有磁性的Fe/C催化剂，具体步骤如下：

步骤1，将洗净的纤维素原材料浸渍在单宁酸与硝酸铁的混合溶液中，超声混合均匀，收集纤维素原材料，离心，干燥；

步骤2，将干燥的纤维素原材料置于氮气氛围中，升温至800～1000℃，保温，碳化得到零价铁/碳(Fe/C)催化剂。

优选地，步骤1中，所述的单宁酸的浓度为80～100g/L，硝酸铁的浓度为80～100g/L，超声时间为10～30min，纤维素原材料事先经过去离子水、乙醇反复洗涤3次。

优选地，步骤1中，所述的纤维素原材料可以是脱脂棉、滤纸或者棉布。

优选地，步骤2中，升温速率为2.5～10℃/min，保温时间为2～3h。