[发明专利]一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明属于单原子催化降解难降解有机污染物领域，提供了一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧(¹O₂)的单原子催化剂及其制备方法与应用。本发明的单原子催化剂包括载体和负载在所述载体上的铁单原子；所述载体为石墨相氮化碳纳米片；所述铁单原子以Fe‑N₄配位结构结合在所述载体上。本发明以石墨相氮化碳纳米片为载体，使铁单原子周围环境均一，活化过硫酸盐时只转化为¹O₂，而¹O₂具有良好的选择性和抗干扰能力，进而使本发明提供的单原子催化剂在降解有机污染物时具有优异的选择性和抗干扰性。同时，单原子催化剂中铁单原子的质量为单原子催化剂质量的7～12％，提高了单原子催化剂活化过硫酸盐的效率。

技术领域

本发明涉及单原子催化降解难降解有机污染物领域，具体涉及一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，具有高活性、高原子利用率及高选择性等优点的单原子催化剂(SACs)已经广泛应用于能源、化学等领域，为高效能源转化、催化有机反应等提供了新的思路。另外，SACs的优点使其在环境治理方面受到越来越多的关注。其中，在单原子催化高级氧化技术(AOP)方面，Mn、Fe、Co等SACs能够高效活化过一硫酸盐(PMS)、过二硫酸盐(PDS)以及H₂O₂，实现高效降解水中难降解有机污染物。然而，SACs的载体主要有氮掺杂的碳、富含缺陷材料，但是上述载体中氮的形式多样、缺陷种类复杂以及含量低，导致SACs中的活性位点不均一，使得SACs在AOP中，通常存在自由基(羟基自由基(·OH)，硫酸根自由基(·SO₄^-)，超氧自由基(·O₂^-)等)和非自由基(单线态氧(¹O₂)等)活性物质共存的情况，使其降解有机污染物的选择性差、抗环境介质的干扰能力差等缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧(¹O₂)的单原子催化剂(SACs)及其制备方法与应用。本发明提供的SACs降解有机污染物时选择性高、抗环境干扰能力强。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂，包括载体和负载在所述载体上的铁单原子；所述载体为石墨相氮化碳纳米片；所述铁单原子以Fe-N₄配位结构结合在所述载体上；所述铁单原子的质量为单原子催化剂质量的7～12％。

优选地，所述铁单原子的质量为单原子催化剂质量的7～8％。

本发明还提供了上述技术方案所述的活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂的制备方法，包括以下步骤：

将有机酸配体、可溶性铁盐和水混合，进行络合反应，得到铁-有机络合物溶液；

将所述铁-有机络合物溶液、三聚氰酸和氰胺化合物混合，进行自组装反应，得到前驱体；

将所述前驱体进行热解，得到所述活化过硫酸盐生成纯单线态氧的单原子催化剂。

优选地，所述有机酸配体包括草酸、乙二胺四乙酸和柠檬酸中的一种或几种。

优选地，所述有机酸配体和可溶性铁盐的质量比为(0.2～1.0)：(0.05～1.0)。

优选地，所述氰胺化合物包括三聚氰胺和/或双氰胺。

优选地，所述有机酸配体中羧基的物质的量和三聚氰酸中羟基的物质的量之和等于氰胺化合物中氨基的物质的量。

优选地，所述热解的温度为500～900℃，时间为2～8h，所述热解在保护气氛下进行。