[发明专利]一种石墨碳包裹铁-氮-碳固相芬顿催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及固相芬顿催化剂的制备技术领域，具体公开了一种石墨碳包裹的铁‑氮‑碳固相芬顿催化剂的制备方法及其在处理有机废水中的应用。本发明的催化剂的制备方法是：将碳源与氮源按一定比例混合熔融后，再加入一定比例的铁源，充分搅拌溶解后，将混合物转移至150~180℃烘箱干燥12~24h，然后在氮气气氛保护下煅烧得到。本发明制备得到的催化剂是一种石墨碳包裹的FeN与Fe₃C共存的铁氮碳类催化剂，纳米颗粒尺寸大小为5~30nm，催化剂的比表面积为80~300m²/g，其中FeN是分解过氧化氢的主要活性位点。本发明的催化剂可以应用于电‑Fenton和Fenton体系中，处理pH范围为3~9的有机废水。本发明的制备方法步骤简单，原料易得，性能优良，稳定性高，可循环使用。

技术领域

本发明涉及固相芬顿催化剂的制备技术领域，具体涉及一种石墨碳包裹的铁-氮-碳固相芬顿催化剂的制备方法及其在处理有机废水中的应用。

背景技术

芬顿反应(Fenton反应)作为一种高级氧化技术，主要是指利用Fe²⁺催化分解H₂O₂，生成具有高氧化性自由基产物·OH(2.8eV)的过程，如公式(1)所示。Fe²⁺和H₂O₂称作Fenton试剂。

Fe²⁺+H₂O₂+H⁺→Fe³⁺+H₂O+·OH (1)

Fenton法因能大量产生高活性·OH，能高效降解处理有机废水，而被广泛研究，目前常见的Fenton法有电-Fenton、光-Fenton、均相Fenton和固相Fenton等。总的来说，这些方法可以归类为两大方向：(1)H₂O₂生成及利用效率提升，如电-Fenton；(2)Fe催化分解及循环性能提升，如固相Fenton。固相Fenton是利用固体分解H₂O₂产生自由基反应的统称，其目的在于解决均相Fenton技术中Fe²⁺无法循环、易产生淤泥、应用受pH限制等问题。研究报道较多的固相Fenton催化剂主要成分有Fe₂O₃、Fe₃O₄、CuFeO₂和赤铁矿等，其主要作用机理类似，利用固体催化剂中的Fe在溶液相中溶出，形成Fe²⁺对H₂O₂催化分解，反应后生成的Fe³⁺吸附于固相表面被还原形成Fe²⁺，实现铁循环。这种机制可以从一定程度上改善Fe循环或者改善pH应用受限问题，但是依然存在Fe溶出后易絮凝形成淤泥，pH应用范围较窄，稳定性和催化剂循环性能差等问题，从而限制该技术的应用。从固相芬顿催化剂技术发展角度而言，如何同时提升H₂O₂生成和分解催化活性、促进Fe循环，改善pH受限问题，提高催化剂的稳定性，是面临的主要挑战。

有文献报道，铁碳类催化剂(FeC)经PTFE修饰后，能改善Fe溶出问题，拓宽固相芬顿催化剂的pH应用窗口，较好地降解和矿化有机污染物，催化剂的稳定性和循环使用性能(15次循环效果)大幅提高，但其催化活性不高，因此需要投加大量的催化剂(6g/L)提升处理效果。