[发明专利]一种CoFe2O4/N/C空心纳米球及其制备与应用

说明书

(一)技术领域

本发明涉及废水处理和环境催化技术领域，具体涉及一种CoFe₂O₄/N/C空心纳米球型非均相类芬顿催化剂的制备方法及应用。

(二)背景技术

高级氧化技术作为一种新型水处理技术能够克服传统工艺难以有效处理难降解有机物的难题，因而被广泛研究。近年来，基于硫酸根自由基(SO₄^●-)的高级氧化技术成为新的研究热点，相比于OH^●，SO₄^●-具有更长的半衰期，这增强了自由基与污染物之间的接触，有利于其对污染物的降解。同时，SO₄^●-具有与OH^●相近的高氧化还原电势(2.5-3.1V)，甚至在中性和碱性条件下也具有很强的活性，因此能高效氧化降解有机污染物，具有良好的应用前景。

过一硫酸氢盐(PMS)的活化是产生SO₄^●-的主要方式，研究表明，过渡金属或过渡金属氧化物纳米颗粒非均相催化分解PMS产生SO₄^●-具有很高的效率，但单独的纳米颗粒由于其较高的表面能，在水溶液中极易团聚失活，且金属离子容易浸出造成二次污染，因此常常需要合适的载体材料来负载纳米颗粒以提高其稳定性。在众多材料中，常见的载体材料如二氧化硅、活性炭、石墨烯、二氧化钛等由于其对基于硫酸根自由基高级氧化技术的化学惰性而仅能提供有限的性能改进，并不能很好地满足实际使用的要求，因此，应当设计将活性组分与同时具备PMS活化功能的载体相结合的新型复合材料，以进一步调节和提高反应性能。

(三)发明内容

本发明目解决现有的非均相类芬顿催化剂的机械强度差、pH要求严格、金属离子浸出量大、催化效率不高以及催化剂难以回收再利用的技术问题，从而提供一种CoFe₂O₄/N/C空心纳米球型催化剂，且能与过一硫酸盐耦合形成非均相类芬顿体系催化氧化去除有机污染物。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种CoFe₂O₄/N/C空心纳米球，所述纳米球以SiO₂纳米球(粒径100-200nm)为模板，在pH8-9的条件下使多巴胺与钴、铁金属离子络合在模板上生成聚合物壳层，碳化退火后形成负载有CoFe₂O₄金属纳米粒子的氮掺杂碳材料，最后用强碱去除SiO₂模板制备成CoFe₂O₄/N/C空心纳米球。

进一步，所述聚合物壳层按如下方法制备：将SiO₂纳米球加入到去离子水a中，超声混匀后加入多巴胺，Co(NO₃)₂·6H₂O和FeCl₂·4H₂O，调节pH至8.0～9.0，在室温下激烈搅拌，离心，沉淀用去离子水b洗涤后真空干燥，获得模板上生成聚合物壳层的纳米球；所述SiO₂纳米球与多巴胺，Co(NO₃)₂·6H₂O和FeCl₂·4H₂O的质量比为1：0.87～1.1：0.06～0.18：0.12～0.2；所述去离子水a体积用量以SiO₂纳米球重量计为1～1.3ml/g；所述去离子水a和去离子水b均为去离子水，为了便于表述不同步骤用量不同而命名，字母本身没有含义。

进一步，所述碳化退火条件为以3℃/min的升温速率升温至700～800℃，并保持1.5～2.5h，获得氮掺杂碳材料。

进一步，所述模板去除方法为：将碳化后的氮掺杂碳材料与1.5～2mol/L氢氧化钠水溶液或质量浓度25-28％氨水混合，在70～90℃反应去除SiO₂纳米球模板，离心、洗涤、真空干燥，制得所述CoFe₂O₄/N/C空心纳米球。