[发明专利]一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂及其制备方法

说明书

一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂及其制备方法，该钴硼共掺杂氮化碳催化剂的组成元素为硼、碳、氮和钴；碳元素和氮元素形成了石墨状氮化碳结构，硼元素取代了部分的碳或者氮，钴元素和氮化碳中的氮元素形成了配位结构。在传统的金属氧化物中，钴离子容易浸出导致重金属污染，在本发明的制备方法中，利用氮化碳载体上丰富的氮位点与钴离子配位可以稳定钴离子，减小钴离子在催化过程中的浸出，如果不加入钴离子，催化活性会大大降低。

技术领域

本发明属于无机功能材料技术领域，涉及一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂及其制备方法，应用于降解水体中四环素类抗生素领域。

背景技术

四环素类抗生素由于价格低廉、使用方便和副作用小等原因，在畜牧生产中被广泛使用。然而，由于四环素具有较强的持久性、生物累积性和生物难降解性等特点，长期存在于人体和水生生物体内，给人类健康和生态环境带来潜在的危害。传统的处理四环素的方法比如吸附或者光催化，都存在一些问题，吸附只能将污染物从一个地方转移到另一个地方，并未将其去除掉；光催化需要光处理，产生能耗。高级氧化技术(AOPs)是一种基于生成中间自由基，羟基自由基(·OH)和硫酸根自由基(SO₄^-)等自由基的氧化方法。与传统氧化剂相比，中间自由基具有极强的活性和更低的选择性，它们的标准氧化电位更高，能有效氧化难降解的抗生素类污染物。在反应过程中，抗生素可被氧化成毒性更低，易于降解的中间产物，并且降解速度快。

高级氧化过程使用的催化剂主要包括贵金属催化剂、均相催化剂以及金属氧化物催化剂，贵金属催化剂价格昂贵；均相的钴离子催化剂容易造成二次污染。因此非均相的过渡金属氧化物催化剂的开发是未来高级氧化催化剂研究的重点。然而，典型的非均相金属氧化物催化剂如Co₃O₄，CoFe₂O₄在催化PMS过程中也会伴随着钴离子的浸出，因此需要开发出离子浸出率小并且吸附能力强的非均相催化剂。因此将钴与氮化碳复合，用氮化碳来稳定金属离子，氮化碳上有不饱和氮位点，可以与金属离子配位，将其固定。硼是路易斯酸，是缺电子元素，而四环素中有羰基、氨基等富电子的路易斯碱，通过酸碱作用，引入硼对四环素进行吸附，引入钴形成Co-N₄结构，既能显著增强吸附性能，还能有效抑制钴离子的浸出。因此，在氮化碳载体上固定活性金属离子，降低离子浸出率，同时耦合路易斯酸位点增强PMS活化能力是高级氧化催化剂设计的重要思路。然而目前却很少有相关研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂及其制备方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂，该钴硼共掺杂氮化碳催化剂的组成元素为硼、碳、氮和钴；碳元素和氮元素形成了石墨状氮化碳结构，硼元素取代了部分的碳或者氮，钴元素和氮化碳中的氮元素形成了配位结构。

优选的技术方案为：硼的摩尔含量为0.2-5%，碳的摩尔含量35-55%，氮的摩尔含量45-55%，钴的摩尔含量1-10%。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供的技术方案是：一种钴硼共掺杂氮化碳催化剂的制备方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤1：将钴盐、硼酸和尿素置于坩埚中；

步骤2：在超声条件下，向所述坩埚中加去离子水混合溶解，生成紫色溶液；干燥得到紫色的前驱体；

步骤3：将所述前驱体置于坩埚中，包裹薄箔后用控温马弗炉进行高温煅烧，自然冷却后得到钴硼掺杂氮化碳催化剂。

优选的技术方案为：钴盐和硼酸的质量比为100：1-1:1，钴盐和尿素的质量比为1：50-1：10。

优选的技术方案为：所述钴盐为乙酸钴、草酸钴和乙酰丙酮钴中的至少一种。

优选的技术方案为：超声时间为3-30 min；超声频率为100-300 W。