[发明专利]负载Fe的介孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种介孔碳材料，尤其涉及一种用作异相Fenton反应催化剂的负载Fe的介孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

高级氧化法（AOP）是处理水中难以用生物法或普通的物理化学法（过滤，沉降）除去的且有生物毒性的污染物的一种行之有效的方法。它常用于对水污染物的预处理，使得生物处理法和普通的物理化学法有用武之地。AOP法中常用的氧化剂有臭氧、过氧化氢、氧气，并辅之以行之有效的催化剂。Fenton体系（Feⁿ⁺与H₂O₂）处理有机污染物由于不会产生有毒的副产物且反应条件温和引起了人们的重视。Fenton体系的主要作用是产生亲电性的强氧化剂羟基自由基（HO·），它可以快速且无选择性的攻击富电子的高聚物，使得高聚物被降解为稳定的无机化合物如水、二氧化碳、盐等而发生矿化作用；或是将难用生物法降解的高聚物降解为生物可降解的物质。

Fenton反应体系可以写成如下形式：Feⁿ⁺+H₂O₂→M^(n-1)++OH^-+HO·。然而，均相Fenton反应在使用过程中由于存在：（1）H₂O₂消耗多，成本高；（2）pH值范围太窄，需消耗大量的酸以维持pH值；（3）Fe难回收，水中Fe含量高，不符合相应的环保规定；（4）需要进行后处理等问题而阻碍了其大规模的使用。异相Fenton反应催化剂应运而生，它是将活性物种Fe负载到固体载体上，如沸石、介孔材料、粘土、活性碳、树脂、Al基物质等上，以改进均相Fenton体系存在的问题。

介孔碳材料由于其高的比表面积而具有极佳的吸附性能，利于Fenton反应的进行而引起了人们的关注。介孔碳材料常采用硬模板法、软模板法和湿浸渍来制备。硬模板法是将碳源灌注到SBA-15、KIT-6、MCM-41或沸石等多孔模板的孔道内，经高温炭化后将模板材料去除而得到的复制了模板材料形状的介孔碳材料。这种方法制备出的介孔碳材料由于高度有序而被广泛研究。软模板法是利用表面活性剂形成的微乳液作为模板，利用树脂等为碳源经炭化后制的。虽然软模板法可以调控介孔碳材料的孔径和比表面积大小，但是制备过程反应条件难控制，需调控的反应条件较多。湿浸渍法是制备负载活性金属介孔碳材料的常用方法，然而由于制备过程中表面张力的影响，活性金属发生聚集，从而降低了介孔碳材料的比表面积、孔径和孔容，甚至堵塞介孔碳材料的孔道，从而降低了物质在孔道内部的运输，降低了催化效率。而且湿浸渍法得到的介孔碳材料中活性金属与基体间的作用力弱，使得活性金属容易流失进一步降低了其催化活性。因此能够制备一种活性金属均匀分布的介孔碳材料是迫切需要的。

在Fenton反应中，Fe²⁺与H₂O₂的反应速率高于Fe³⁺与H₂O₂的反应速率，因此Fe²⁺含量的高低以及易于重新生成Fe²⁺的能力决定了异相Fenton反应的反应速率。同时，大部分异相Fenton反应催化剂只有在酸性条件（pH=3）下具有催化活性，阻碍了这些材料的实际应用。因此，制备一种Fe²⁺含量高、催化活性高、Fe流失量低、能在中性条件下使用的异相Fenton反应催化剂也是迫切需要的。

发明内容

本发明针对现有技术负载活性金属的介孔碳材料中的金属分布不均匀，异相Fenton反应催化剂中Fe含量低、Fe流失严重且只在酸性条件下才具有催化活性的技术问题，目的在于提供一种新的负载Fe的介孔碳材料及其制备方法和应用。

本发明的制备负载Fe的介孔碳材料的方法包括如下步骤：A)采用物理气相沉积法将二茂铁负载到多孔模板材料的孔道内，得到负载二茂铁的多孔模板材料；B)将负载二茂铁的多孔模板材料经高温炭化并去除多孔模板材料，得到负载Fe的介孔碳材料。本发明的制备方法中将二茂铁同时做为碳源和铁源，无需二次制备可以一步获得负载Fe的介孔碳材料。

步骤A)中所述的物理气相沉积法是在110℃～200℃优选110℃沉积5h～80h优选48h，得到负载二茂铁的多孔模板材料。