[发明专利]一种过渡金属单原子活性催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种过渡金属单原子活性催化剂及其制备方法和应用，催化剂以单原子过渡金属作为活性组分，以活性炭、碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石、g‑C₃N₄中任意的一种作为载体，经过过渡金属的无机盐前驱体或有机盐前驱体与载体进行吸附之后，即得。本发明制备的过渡金属单原子活性催化剂制备工艺简单，摆脱了传统单原子催化剂苛刻繁琐的制备工艺，大幅降低了催化剂的合成成本。采用本发明的催化剂高级氧化抗生素，催化效果优异，稳定性高，减少了环境污染及成本，具有良好的工业化应用前景。

技术领域

本发明属于新材料催化剂合成技术领域，具体涉及一种过渡金属单原子活性催化剂，还涉及上述过渡金属单原子活性催化剂的制备方法和应用。

背景技术

抗生素能够杀灭细菌，对抗感染，挽救生命，但若使用不当则会引发细菌耐药，使之成为一把“双刃剑”，我国每年有超过数万吨需处理的抗生素。传统技术采用芬顿(Fenton)法将排放进入水环境中抗生素进行降解，Fenton试剂指的是Fe²⁺/H₂O₂体系，Fe²⁺作为反应催化剂，H₂O₂被催化剂活化产生·OH从而起到氧化作用，将水中的有机污染物和抗生素氧化分解为无污染的小分子，甚至CO₂。然而H₂O₂矿化能力弱，且易爆炸，导致运输和储存成本高。基于此衍生出一系列高级氧化技术降解抗生素，主要是将反应中产生的强氧化性自由基作为主要氧化剂，氧化分解和矿化水中有机污染物的氧化，包括臭氧氧化、电化学氧化、催化湿式氧化、光催化氧化、Fenton及类Fenton氧化技术等。新型过硫酸盐高级氧化技术具有氧化能力强的特点，·OH的氧化还原电位为1.8～2.7V、过硫酸盐产生的硫酸根自由基(·SO^4-)的氧化还原电位为2.5～3.1V。·SO^4-的反应速度快、对大多数有机物的氧化速率常数达到106～109M^-1s^-1、适用范围广、反应条件温和、对有机污染物的矿化率高的优点。

尽管如此，传统高级氧化技术中Fe²⁺用量大，反应过程中生成的Fe³⁺容易发生混凝沉淀作用，生成氢氧化铁沉淀，导致降解效率降低，并会产生二次污染。因此，多相催化剂的开发应运而生，基于不同过渡金属(Mn、Fe、Co、Cu等)的负载型、金属氧化物型等催化剂不断被开发，但是该类催化剂依然面临着适用pH值范围小、稳定性差、活性位点不均一、金属用量大的严峻挑战。

随着近几年表征技术，如STM、STEM-HAADF、XAS的进步和DFT理论计算方法的发展，人们对材料科学的认知程度达到了原子水平。通过精确调控制备条件，成功制备得到了Pt₁/FeO_x单原子催化剂，提出“单原子催化”，与传统的纳米催化剂相比，单原子催化剂具有相对均匀的活性位点、100％的原子利用效率、可调控的配位环境等优势，有利于从原子水平上理解构效关系，然而目前单原子催化剂的制备条件苛刻繁杂，生产成本过高，限制了单原子催化剂的实际工业应用，严重阻碍了其大规模商业化应用。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种过渡金属单原子活性催化剂，解决了现有催化剂存在的适用pH值范围小、金属用量大、稳定性差的问题。

本发明的第二个目的是提供上述过渡金属单原子活性催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的是提供上述过渡金属单原子活性催化剂在高级氧化抗生素领域中的应用。

本发明所采用第一种技术方案为：一种过渡金属单原子活性催化剂，催化剂以单原子过渡金属作为活性组分，以活性炭、碳纳米管、石墨烯、纳米金刚石、g-C₃N₄中任意的一种作为载体，经过过渡金属的无机盐前驱体或有机盐前驱体与载体进行吸附之后，即得。