[发明专利]一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂及其制备方法

说明书

本发明属于水污染控制领域，特别涉及一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂及其制备方法，本发明利用水热法制备碱式碳酸钴纳米线，磷化得磷化钴纳米线，然后利用自组装法在磷化钴纳米线周围生长金属有机框架ZIF‑8，并经高温煅烧制得氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂；与现有非均相催化剂相比，该复合催化剂兼具非金属催化和金属催化活性，其对过硫酸盐的活化效率高、自由基产量大，且pH适用范围宽、可循环再利用，可广泛适用并显著节省催化剂、氧化剂用量并降低反应时间。

技术领域

本发明属于水污染控制领域，特别涉及一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂及其制备方法。

背景技术

工业生产等产生的难降解有机污染物进入水体后会经食物链传递危害人类健康。常规生化处理难以有效去除难降解有机物，因此需借助深度处理工艺实现去除。基于硫酸根自由基的高级氧化技术因硫酸根自由基氧化还原电位高、生成简便、pH适用范围广等优点而成为去除难降解有机物的优势工艺。通过均相催化方式产生硫酸根自由基面临着药剂投加量大、流失率高等问题，因此目前大量研究专注于开发高效非均相催化剂。根据反应平衡理论，高效非均相催化剂应兼具活性位点密度高、导电性强、吸附性佳的优点，既可高效活化过硫酸盐产生硫酸根自由基，也能在催化剂表面实现目标污染物与自由基之间的快速电子传递。然而，单一材料难以同时满足以上要求，这就需将不同组分有机组装，整合各组分优势形成具有特殊结构的复合材料，从而有效提升催化活性。

中国专利CN107245727A公开了一种多孔磷化钴纳米线催化剂的制备方法。该方法包括以下步骤：以尿素为沉淀剂，七水合硫酸钴为钴源，丙三醇和去离子水为溶剂，配制成溶液。将溶液加入到高压反应釜中进行水热反应，充分反应后进行抽滤洗涤，真空干燥，得到线状碱式碳酸钴；在管式炉中，将线状碱式碳酸钴在一定温度下进行空烧，得到四氧化三钴。以次磷酸钠为磷源，将四氧化三钴前驱体和次磷酸钠按一定比例置于同一瓷舟的两端，将磷源放置在气流上游，在惰性气氛下置于管式炉中低温煅烧，实现多孔磷化钴纳米线催化剂的制备。然而，磷化钴对有机污染物的吸附容量较低且导电性不理想，其催化活性有待进一步提升。

发明内容

针对现有基于硫酸根自由基的高级氧化技术，均相催化易造成二次污染且催化剂难以回收，普通非均相催化剂因难以兼具表面活性位点密度高、对有机物富集能力强、电子传输性能佳而导致催化效率低下等难题，本发明提供一种可高效活化过硫酸盐的氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂及其制备方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

一种氮掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，ZIF-8包裹磷化钴纳米线(CoP@MOF)制备：将CoP纳米线分散于聚乙烯吡咯烷酮(PVP)水溶液中，加入2-甲基咪唑(2-MIM)、锌盐进行搅拌反应，制得CoP@MOF；

步骤2，掺杂多孔碳多面体@纳米磷化钴复合催化剂(CoP@MOF-C)制备：将步骤1中所得CoP@MOF转移至管式炉中，在惰性保护气中进行煅烧反应，制得CoP@MOF-C。

优选地，所述的步骤1中，CoP纳米线分散液中，CoP纳米线浓度为0.25～0.5g/L，PVP浓度为3～5g/L。

优选地，所述的步骤1中，锌盐为硝酸锌、氯化锌、硫酸锌中的一种或几种，控制2-MIM与锌盐的摩尔比为40：1～60：1，所加锌盐溶解后浓度为0.025-0.2mmol/L，反应时间为0.5～1h。

优选地，所述的步骤2中的惰性气体为高纯氮气或氩气中的一种。

优选地，所述的步骤2中的煅烧温度为920～1000℃，煅烧时间为4～7h，升温速率为5～10℃/min。

优选地，所述CoP纳米线的制备方法包括以下步骤：