[发明专利]多相单原子催化剂及其制备方法和应用方法

说明书

本发明公开了一种单原子催化剂，其特征在于，所述催化剂以单原子过渡金属作为活性组分，以氧化钨、氧化钴、氧化钼、氧化铼等任意一种作为载体，经过直接冷冻法或过量浸渍法制得。并提供了上述单原子催化剂的无氧化剂添加的多相高级氧化技术。本发明与现有技术相比，首次提出了可还原性的富缺陷氧化物负载单原子的催化剂在无任何氧化剂添加的情况下，利用氧气降解抗生素。摆脱了外加氧化剂的同时，实现了无光电热辅助的多相高级氧化，并完成了从均相催化到多相催化的过渡。环境友好、价格低廉、具有良好的工业化应用前景，对于其大规模商用具有重要意义以及广阔的商业应用前景。

技术领域

本发明属于催化剂合成与应用技术领域，具体涉及多相单原子催化剂，还涉及上述催化剂的制备方法和应用方法。

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。高级氧化法是一种处理抗生素的有效的技术，其主要是利用Fe²⁺活化氧化剂(H₂O₂或过氧硫酸盐等)产生·OH、·O₂^-、¹O₂等自由基从而起到氧化作用，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。然而常用的氧化剂往往矿化能力弱，成本高。氧气是大自然中最丰富、最廉价的氧化剂，如何无额外能量辅助的利用氧气作为氧化剂是目前亟需解决的难题且具有重大的科学和应用意义。

此外，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，亟需开发环保、稳定、高效的多相催化剂。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，提出“单原子催化”。单原子催化剂被视作多相催化与均相催化之间的桥梁，既具有均相催化的高活性，又具有多相催化的稳定性和可分离性，具有很大的应用潜力。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种多相单原子催化剂。解决了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，导致降解效率降低的问题

本发明的第二个目的是提供上述单原子催化剂的制备方法。

本发明的第三个目的是提供上述单原子催化剂在高级氧化领域中的应用。

本发明所采用第一种技术方案为：一种单原子催化剂，以单原子过渡金属作为活性组分，以氧化钨、氧化钴、氧化钼或氧化铼中任意一种作为载体，活性组分占催化剂总质量的质量分数为0.1～10wt.％。

本发明所采用第一种技术方案的特点还在于，活性组分采用Fe、Co、Mn、Ni、Cu中任意一种或其中几种的混合，活性组分占催化剂总质量的质量分数为6～8wt.％。

本发明所采用第二种技术方案为：一种单原子催化剂的制备方法，按照以下步骤制备：

步骤1、制备载体

将氯盐前驱体溶解于水、丙酮、乙醇中的一种或几种制成溶液，选取氧化钨、氧化钴、氧化钼、氧化铼任意一种作为载体浸入溶液中，水热12-48h，过滤、洗涤、烘干得到载体。

步骤2、以单原子过渡金属作为活性组分，选择过渡金属的无机盐前驱体或有机盐前驱体的一种或几种，分别溶解于溶剂中配置成活性组分的前驱体溶液，溶液中活性金属浓度0.005wt.％-20wt.％；

步骤3、将步骤1制备得到的载体加入步骤2得到的活性组分的前驱体溶液中，载体与前驱体溶液质量比为1:5-1:20，室温下搅拌4-18h，直接冷冻或过滤，烘干；