[发明专利]一种富含氧空位的改性铁酸亚铜催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种富含氧空位的改性铁酸亚铜催化剂及其制备方法和应用，属于污水处理技术领域。本发明所述方法中，壳聚糖在碱性水热环境下水热脱乙酰化程度加大，会水解为壳寡糖和氨基葡萄糖，同时使得溶液pH升高，而氨基葡萄糖的性质不稳定容易消耗氧气自身发生美拉德非酶褐变反应生成还原酮、不饱和醛类、芳香环类物质(如吡嗪杂环、吡喃、呋喃、吡咯等)，从而造成缺氧还原环境，该环境有利于铁酸亚铜CuFeO₂形成大量的氧空位，同时壳聚糖水解产生的还原酮类和不饱和醛类作为铁酸亚铜CuFeO₂合成的还原剂，壳聚糖衍生为氮掺杂碳纳米颗粒，从而得到富含氧空位的改性铁酸亚铜催化剂。

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及一种富含氧空位的改性铁酸亚铜催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，高级氧化法在污水处理中得到了广泛应用。芬顿反应是最有效的方法之一，能产生仅次于氟的第二大氧化剂羟基自由基来有效降解污染物。芬顿法具有操作简单、反应条件温和、降解效率高和原料便宜等优点。但是，传统的均相芬顿反应存在一定的缺陷，例如反应需在pH＝3左右进行；后续会产生大量铁泥，甚至可能产生酸或金属离子的二次污染。

为了克服这些问题，科研人员通过一定的技术手段将包含除铁以外的其它过渡金属元素如铜、锌等活性组分制成固体或固定在固体上制备非均相类芬顿催化剂。通过双金属协同作用来促进主催化金属组分的氧化还原，加速体系中电子迁移速率，最终通过界面反应产生强氧化性的自由基氧化降解有机污染物，实现中性条件下的反应并且大大减少了铁泥的产生。其中，铁酸亚铜(CuFeO₂)由于具有制备简单、成本低和催化性能高的特点已成为研究热点，但CuFeO₂由于其固有的高表面能和较低的电荷密度会导致自发团聚，从而导致活性位点数量和催化效率的降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种富含氧空位的改性铁酸亚铜催化剂及其制备方法和应用，所制备的改性铁酸亚铜表面负载有氮掺杂碳纳米颗粒，可有效抑制其自发团聚，且所述改性铁酸亚铜催化剂中氧空位含量高，活性位点多，催化效率高。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种改性铁酸亚铜催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将壳聚糖溶液和铁铜金属盐溶液混合，将所得混合溶液滴入碱中，进行沉淀反应，得到涂覆有壳聚糖的铁铜沉淀混合溶液；

将所述涂覆有壳聚糖的铁铜沉淀混合溶液进行水热反应，干燥后，得到改性铁酸亚铜催化剂。

优选的，所述壳聚糖溶液的制备过程为将壳聚糖溶解于冰醋酸溶液，得到壳聚糖溶液。

优选的，所述冰醋酸溶液的质量浓度为2％，所述壳聚糖与冰醋酸溶液的用量比为(100～400)mg：20mL。

优选的，所述壳聚糖溶液中壳聚糖与铁铜金属盐溶液中铜盐、铁盐的用量比为(100～400)mg:5mmol:5mmol。

优选的，所述碱为氢氧化钠水溶液，所述氢氧化钠水溶液中氢氧化钠与铁铜金属盐溶液中铜盐的摩尔比为(0.04～0.1):5。

优选的，所述水热反应的温度为160～200℃，时间为10～15h。

优选的，所述干燥的温度为50～80℃，时间为6～12h。

本发明提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的改性铁酸亚铜催化剂，包括铜铁酸亚铜和负载于所述铁酸亚铜表面的氮掺杂碳纳米颗粒。

优选的，以质量百分含量计，所述氮掺杂碳纳米颗粒在所述铁酸亚铜上的负载量为9～30％。

本发明提供了上述技术方案所述改性铁酸亚铜催化剂在催化双氧水降解污染物中的应用。