[发明专利]一种纳米四氧化三钴/氧化铝@载体催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属催化剂材料制备技术领域，提供一种纳米四氧化三钴/氧化铝@载体催化剂及其制备方法和应用，催化剂为氧化铝改性的载体上负载有活性组分纳米四氧化三钴。将铝盐完全溶解后，加入载体，油浴加热浸渍完成后，烘干，焙烧得到铝改性的载体；将铝改性的载体置于含有钴离子的溶液中，等体积浸渍完成后，烘干，可选择的进行焙烧，得到高分散纳米四氧化三钴/氧化铝@载体复合催化剂。本发明通过Al对载体进行改性，继续负载钴组分后，活性组分呈现高度分散的状态，在pH 3‑11范围内和高盐废水中，催化剂对有机污染物有着良好的降解去除，显示出催化剂极高的催化活性和广阔的应用范围。

技术领域

本发明属于催化剂材料制备技术领域，具体涉及一种纳米四氧化三钴/氧化铝@载体催化剂及其制备方法和应用，该催化剂高活性、高分散性，该催化剂应用在过硫酸盐降解有机废水上。

背景技术

高级氧化技术是生物难降解废水重要的处理技术之一，被广泛用于有机废水的深度处理或预处理。芬顿氧化技术和过硫酸盐氧化技术作为新兴的高级氧化技术，具有装置简单、反应迅速和无选择性等特点而受到青睐。然而目前大多数芬顿反应需要在酸性条件下进行，中性及碱性条件下催化活性迅速降低。过硫酸盐氧化技术是在芬顿技术之后发展起来的一种高级氧化技术，通过活化过硫酸盐（包括过一硫酸盐PMS和过二硫酸盐PS）产生高氧化性硫酸根自由基（SO₄·^-）降解有机物。与传统的以羟基自由基（·OH）为主的芬顿氧化技术相比，这种技术具有pH适用范围广（可在pH 2～9下进行）、氧化电势高（2.5～3.1V）、自由基寿命长（半衰期可达30～40 μs）和选择性氧化（受环境背景物质影响低）等明显优点，因此过硫酸盐氧化技术迅速成为研究热点。

目前活化过硫酸盐的方式主要有光活化、热活化、超声波活化以及过渡金属离子活化等，这些活化方式虽然都具有一定效果，但是反应体系需要额外输入较高的能量，造成废水处理成本急剧上升。大量研究表明四氧化三钴（Co₃O₄）是活化过一硫酸盐（PMS）最好的催化剂。然而以金属氧化物纳米粒子作为活性组分时，极度细小的纳米粒子具有较高的表面能从而容易团聚降低催化活性。为了提高活性组分的分散性同时保持较高的催化活性，部分研究者将钴、铁等元素负载在氧化铝（Al₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）和石墨烯（GO）等载体上制备催化剂，既能够提高活性组分的分散效果，降低金属使用量。有研究者通过水热法制备Co₃O₄/GO纳米复合材料，获得的纳米粒子分散性较好，因此在活化PMS降解橙色II表现出较好的催化活性。尽管这些研究已经取得初步的成效，但是催化活性仍然较低，尤其在高盐废水、偏酸、偏碱性废水中催化活性大幅下降，催化体系适用范围较窄。

前期研究发现，金属铝（Al）改性的材料表面具有特殊的性质，可以协助活性组分以极小的纳米粒子和高分散的形式分散在载体表面，同时铝作为一种原子序数较低的元素，其电负性（1.61）与常见的负载金属（Fe(III) 1.96、Fe(II) 1.83、Co(II) 1.38）电负性相差较大，能够与负载金属之间形成电子转移，有利于催化反应的进行，而且铝在地壳中含量极为丰富，价廉易得，因此利用铝改性的多孔材料负载钴制备高分散、高催化活性的高级氧化催化剂是可行的。

发明内容

本发明提供了一种纳米四氧化三钴/氧化铝@载体催化剂，该催化剂在pH = 3-11范围内活性高，对有机污染物的降解效率高，且在高盐废水中活性不下降，应用范围广泛。

本发明同时提供了上述催化剂的制备方法，该方法操作过程简单易行，工艺成本低，适用范围广，能够实现工业化生产。

本发明还提供了利用上述高分散纳米四氧化三钴/氧化铝@载体纳米催化剂降解废水中有机污染物的方法，其步骤简单，高催化激活性，对苯酚污染物有着极高的催化去除效果。

本发明由如下技术方案实现的：一种纳米四氧化三钴/氧化铝@载体催化剂，所述催化剂为氧化铝改性的载体上负载有活性组分纳米四氧化三钴。