[发明专利]一种高效的非金属碳基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高效的非金属碳基催化剂及其制备方法和应用。该方法以科琴黑、乙二胺四乙酸和双氰胺为碳和氮源前驱体，通过搅拌、研磨、高温退火聚合的方式合成不含金属的碳基催化剂。研究发现，随着退火温度的升高(650升至900℃)，不含金属的碳基材料层数变薄，比表面积增大，通过活化过二硫酸盐(PDS＝0.18mM)来去除四环素抗生素(10ppm)的性能明显增强，一级反应动力学常数最大达到0.025/s，是钴金属掺杂的碳基材料的74.63和312.50倍。该催化剂去除有机污染物的性能在已报道的不含金属或含金属的碳基催化剂活化过硫酸盐去除有机污染物体系中也占有相当优势。

技术领域

本发明属于材料工程与环境工程技术领域，涉及一种高效的非金属碳基催化剂及其制备方法和活化过二硫酸钾产生强氧化性物质去除污水中的四环素抗生素的应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展，各种化工厂和制药厂的投入生产和废弃物排放，使得排放到环境中的污染物结构日趋复杂和多样化。对于各种复杂多样的有机污染物，作为高级氧化法的典型代表-芬顿反应由于其对于污染物的无选择性和强大的氧化能力，可以对污染物进行无差别高效降解，近年来受到了科研工作者的广泛关注。传统的芬顿反应的催化剂以金属化合物为主，譬如Co₃O₄,MnO₂和零价纳米铁等，其金属的不同价态之间的循环，可以有效的催化活性自由基的生成，进而降解污染物。但金属类催化剂通常只适用于比较窄的pH范围，且反应过程中金属成分易溶出，容易造成二次污染，还会导致材料的失活。

非金属催化剂的出现一定程度上弥补了金属类催化剂的短板。一系列非金属催化剂譬如还原氧化石墨烯，碳纳米管，纳米金刚石等被开发用于活化过硫酸盐去除水体中的新兴污染物，如内分泌干扰物，抗生素类药物，染料类废水等的降解，展示了其不同于金属催化剂的良好的pH稳定性和靶标污染物降解的选择性。但目前已有的非金属碳基催化剂相比较金属催化剂来说，还存在催化活性相对较低，催化位点易失活等问题。

发明内容

本发明提供了一种高效的非金属碳基催化剂及其制备方法和应用，利用只含有碳氮氧元素材料的前驱体通过高温退火聚合而成不含金属的碳基催化剂活化过二硫酸盐去除水体中四环素抗生素有机污染物。

一种非金属碳基催化剂的制备方法，以科琴黑、乙二胺四乙酸和双氰胺为碳和氮源前驱体，通过搅拌、研磨、高温退火聚合的方式合成非金属碳基催化剂，是一种制备非金属的高效类芬顿反应催化剂的方法。

该催化剂具有石墨氮和羰基分别为吸附位点和催化氧化位点，先利用石墨氮的吸附作用将有机污染物远距离吸附至羰基催化产生的单线态氧活性物种附近,实现了对模型污染物四环素抗生素的高效去除(一级反应动力学常数为0.025s^-1，该数值在当前的相关研究报道中，具有相当优势)。较少量的氧化剂使用量避免了材料在使用过程中的过度氧化，利于材料的重复使用和降低了反应成本。

以科琴黑、乙二胺四乙酸和双氰胺为碳和氮源前驱体，通过搅拌、研磨、高温退火聚合的方式合成非金属碳基催化剂，包括以下步骤：

(1)向水中加入科琴黑碳材料，进行第一次超声，使其混匀，得到初步混合液；

(2)向初步混合液中加入乙二胺四乙酸，进行第二次超声，并搅拌使其混匀，得到中间混合液；

(3)向中间混合液中加入双氰胺，进行第三次超声，并搅拌使材料充分混合，得到目标混合液；

(4)将目标混合液干燥使水分完全挥发，将所得固体充分研磨，在惰性气体保护的氛围下高温退火聚合，所得固体自然冷却后研磨备用。

所述的水、科琴黑碳材料、乙二胺四乙酸和双氰胺的用量之比为5mL：40mg～80mg：1g～3g：5g～15g。最优选，所述的水、科琴黑碳材料、乙二胺四乙酸和双氰胺的用量之比为5mL：60mg：2.05g：10.82g。