[发明专利]一种以秸秆-石墨烯杂合体为载体原位负载零价铜的催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种以秸秆‑石墨烯杂合体为载体原位负载零价铜的催化剂及其制备方法与应用，本发明是以秸秆‑石墨烯杂合体为载体，以尿素为还原剂，采用水热法将低成本的铜离子一步还原负载在秸秆‑石墨烯杂合体上，得到以秸秆‑石墨烯杂合体为载体原位负载零价铜的催化剂。本发明制备方法简单、温和、环保，有效地负载了尺寸小、分散均匀的纳米铜粒子。秸秆‑石墨烯杂合体作为载体提供了大的比表面积和快速的电子传递速率。负载纳米铜的秸秆‑石墨烯杂合体可在3分钟内催化还原95％的对硝基苯酚，并且至少可重复使用6次。本发明制得的催化剂成本低廉、催化速率快、转化率高、可重复使用、稳定性强，具有良好的使用价值和广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种以秸秆-石墨烯杂合体为载体原位负载零价铜的催化剂及其制备方法与应用，属于化学及环境技术领域。

背景技术

对硝基苯酚(PAP)是一类毒性强、稳定性高、降解困难的有机污染物，它主要来自农药、造纸、染料和医药的工业生产过程。随着化工产业的高速发展，越来越多的含有对硝基苯酚的废水被排放在环境中，引起了广泛且严重的环境和生态问题。对硝基苯酚具有诱变性、致癌性和遗传毒性，对人类和动物的肾、肝脏、血液和中枢神经系统都有一定的破坏作用。对硝基苯酚很难被生物降解，可以在水生生物体内富集，长时间停留在水体环境中，对环境具有严重且持续的危害。因此，中国环境监测总站将其加入优先控制有机污染物的黑名单中，欧盟直接定义其为水生生物毒害物，美国环境保护署也将其列为优先控制污染物。

由于传统的生物处理法无法有效去除高毒性的对硝基苯酚，因此开发了电化学、光催化、物理吸附、微波催化氧化等处理方法，但是这些方法能源消耗高，或使用有机溶剂，或存在二次污染。因此，需要寻找一种温和、高效、环保的处理方法。对氨基苯酚是镇痛解热药物、显影剂、缓蚀剂、防腐润滑剂等领域的重要化学原料和医药中间体。因此将对硝基苯酚催化还原为对氨基苯酚是一种具有良好前景的方法，不仅解决了环境危害大的对硝基苯酚废水的处理难题，还合成了有广泛应用价值的化工原料对氨基苯酚，具有重要的实际意义和应用前景。

在对硝基苯酚催化还原制取对氨基苯酚的过程中，采用硼氢化钠作为还原剂，同时选用合适的催化剂加速该反应的进行。目前绝大多数工艺采用贵金属作为催化剂，比如铂、金、钯、银等，虽然贵金属催化剂的催化活性高，但是由于其价格昂贵且稀有限制了其大规模的应用。

相比于昂贵且稀有的贵重金属，铜纳米粒子因具有成本低、稳定性好、导电性高等优点，被认为是一种具有良好发展前景的材料。然而，纳米粒子易团聚，稳定性差，导致催化活性和寿命下降，因此需要开发合适的载体材料，尽可能的提高金属纳米材料的催化性能。石墨烯材料由于比表面积大、导电性好、热稳定高，受到了高度的关注。但是石墨烯的生产成本高，制备工艺复杂，限制了它的实际应用。因此，石墨烯基材料亟需进一步的开发。生物质秸秆具有成本低、来源广泛、可生物降解等优点。生物质秸秆中含有丰富的羟基、羰基、酚羟基等含氧官能团可以通过氢键、共价键、范德华力和π-π共轭等相互作用力与氧化石墨烯中的官能团结合，可对石墨烯材料进行改性，形成秸秆-石墨烯杂合体。然而，以生物质-石墨烯杂合体为载体负载金属的催化剂的报道目前还很少见。

此外，在负载型催化剂的制备过程中，化学还原法因简单实用而被广泛应用。但是现有的化学还原法大多是利用水合肼、乙二胺、联氨等作为还原剂，这些还原剂都有一定的毒性和易爆性。无毒无害、环境友好的还原剂是绿色化学所提倡的。因此，通过一种简便、温和、环保的方法获得一种金属均匀负载的催化剂，并将其运用于对硝基苯酚废水的处理，具有重要的指导意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种以秸秆-石墨烯杂合体为载体原位负载零价铜的催化剂及其制备方法与应用。

本发明采用水热法将低成本的铜离子一步还原负载在秸秆-石墨烯杂合体上，得到新型催化剂。该催化剂以铜为主要活性位点，常温常压下将对硝基苯酚还原为对氨基苯酚。该催化剂具有催化速率快，转化率高，可重复使用等优点。同时，该催化剂的制备过程简单环保，结构稳定，可广泛应用于催化还原对硝基苯酚。