[发明专利]一种多孔纳米纤维膜负载的原子级活性位点催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种多孔纳米纤维膜负载的原子级活性位点催化剂的制备方法，该催化剂以聚四氟乙烯(PTFE)多孔纳米纤维膜为载体，以贵金属或过渡金属原子为活性组分，通过简单的电纺‑浸渍两步法实现金属活性原子以单个或若干个原子的形式在PTFE多孔纳米纤维膜载体上的稳定分散，能够使金属原子利用率、界面活性位点的数目最大化，从而表现出优异的催化性能。可将其用于常温下水体和大气中有机污染物的催化氧化降解，在不需要任何外界能量输入的情况下，实现90％以上有机污染物的去除。

技术领域

本发明属于催化剂技术领域、大气和水污染治理领域，具体涉及一种多孔纳米纤维膜负载的原子级活性位点催化剂的制备方法。

背景技术

随着工业化的发展，大量的有机污染物被排放到水和大气环境中，造成水生态环境破坏以及严重的大气污染。传统的有机污染物处理技术主要有吸附、吸收、膜分离等，但往往存在着成本高、普适性差、效率低、二次污染等问题，因此热力焚烧、光催化氧化、生物修复、等离子体技术等成为了主流，但其都需要外界输入光、电、热等能量才能打开有机物化合物的分子键，达到污染物降解的目的。

常温催化氧化技术是利用氧气、臭氧等经催化剂催化活化后产生的羟基自由基等活性氧化剂，实现室温下氧化降解有机污染物的技术，其反应条件温和、无二次污染、能耗低、处理效果好，被认为是最有前景的有机污染物降解技术。虽然有机化合物氧化反应在常温常压下是能够自发进行的(吉布斯反应自由能小于0)，但其常温下反应速率极低，因此需要设计高活性的催化剂降低反应自由能，加快反应速率，催化有机污染物氧化降解为CO₂和水。

原子级活性位点催化剂的特征在于金属活性原子通过缺陷空位、空间限域、配位设计等策略在载体上以单个或几个原子的形式均匀分散，能够使负载金属的原子效率以及界面位点数量最大化，从而具有优异的催化活性和结构稳定性。已有发明专利将原子级活性位点催化剂用于催化氧化降解有机污染物，如专利CN106622225 A公开了一种用于催化降解挥发性有机污染物VOCs的单原子Au催化剂，具有较高的催化活性和使用寿命；专利CN106807243 A公开了一种用于常温降解飞机舱VOCs的Pt单原子催化剂，去除效果较好。但以原子形式分散的金属原子具有较高的表面吉布斯自由能，使其在制备和反应过程中极易团聚成纳米簇而逐渐失活。另外，大部分的催化剂呈现粉末状，在气体有机污染物催化氧化时会导致催化床层压降的问题，且在用于催化降解水体有机污染物时，直接投放到水体环境中具有难以直接回收、机械性能差等问题。

纳米纤维膜具有纤维直径小、柔韧性好、比表面积大、丰富的孔隙结构等优点，是一种理想的催化剂载体。在众多制备纳米纤维膜的方法中，静电纺丝法作为一种新型的制备纳米纤维的方法，具有运行成本低、操作简便等特点，逐渐受到科研工作者的青睐。如专利CN 105013342 A公开了一种通过静电纺丝技术制备的超疏水聚四氟乙烯纤维膜，专利CN102389720 A公开了一种通过干-湿电纺织制备的带支撑材料的聚四氟乙烯膜。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种以一个或几个金属原子作为活性位点，能够将金属原子利用率和界面位点的数量最大化的多孔纳米纤维膜负载的原子级活性位点催化剂的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种多孔纳米纤维膜负载的原子级活性位点催化剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备PTFE多孔纳米纤维膜，包括以下步骤：

第一步，将表面活性剂粉末在40～100℃下溶解在蒸馏水中，连续搅拌6～10h，得到表面活性剂的质量分数为5～15wt％的水溶液，冷却至20～30℃；

第二步，向所述的水溶液中加入含固质量为60％的PTFE乳化液和硼酸固体粉末，PTFE和表面活性剂的质量比为2:1～12:1，表面活性剂和硼酸的质量比为1:0.001～1:0.003，并连续搅拌2～5h，得到第一混合溶液；