[发明专利]一种Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料及其制备方法与应用。所述的Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料通过简易牺牲模板法形成具有复杂多壳结构的催化材料，并且可应用于处理废水中的对硝基苯酚。本发明所述的催化材料涉及多元素掺杂的化学组成可以提供丰富的活性位点；独特的中空双层介孔结构可以充分暴露活性位点和促进反应物传质；催化材料在多次重复使用中，能够保持良好的化学和机械稳定性。

(一)技术领域

本发明属于材料制备及环境技术领域，涉及一种Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料及其制备方法与应用。

(二)背景技术

硝基苯类化合物属于剧毒化学品，是美国环保局(EPA)和我国68种优先控制有毒有机污染物之一。此类化合物排入水环境时，难溶于水且在水中具有极高的稳定性，为生物难降解化合物，由此造成水体的持久性污染，因此含硝基苯化合物废水的净化一直是我国乃至世界的技术难题。另外，硝基苯类物质的还原产物——苯胺类化合物的毒性相对低很多，而且为可生物降解化合物，同时还是极为重要的化学品中间体，主要用于医药、染料、表面活性剂、聚合物和农用化学品等的生产。因此硝基苯到苯胺的转化，既能实现硝基苯类物质的毒性降低，也能成为生产苯胺类化合物的重要途径。

贵金属纳米颗粒(如Au、Ag、Pd等)由于独特的物化性质表现出高效的催化还原硝基苯类化合物活性，由此衍生了大量基于贵金属纳米颗粒催化剂的研究报道。但是贵金属材料成本高昂，寻求具有优异催化性能的廉价非贵金属催化剂(NPMCs)作为其替代品，多年来一直是此领域的研究热点。一般来说，NPMCs催化剂可以通过调节化学组成和形貌结构来改善其催化性能，但如何设计兼具高催化活性和特殊形貌的NPMCs来替代传统贵金属催化剂一直是一项极大的挑战。

(三)发明内容

本发明目的是为了设计制备可替代贵金属催化剂的廉价非贵金属催化材料，提供一种能通过简易牺牲模板法形成具有复杂多壳结构的双层空心铁、氮、硫三掺杂介孔碳催化材料(Fe/N/S-C)，从而高效催化还原硝基苯类化合物。

本发明所提供的Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料按照如下方法进行制备：

(1)将FeCl₃·6H₂O和CH₃COONa溶解在乙二醇中，搅拌均匀得到混合液，将所述的混合液于195～205℃常压下进行水热反应20小时，得到混合物经后处理得到多孔Fe₃O₄微球；所述FeCl₃·6H₂O和CH₃COONa的质量比为1:2.5～3(优选1:2.85)；

(2)将步骤(1)制备得到的中空多孔Fe₃O₄颗粒超声分散在无水乙醇中形成浓度为87～90g/L的Fe₃O₄颗粒分散液，然后向所述的分散液中依次加入吡咯和噻吩，继续超声处理110～130分钟得到反应液，然后向所述的反应液中依次加入去离子水和质量浓度为18～19％盐酸水溶液，超声处理140～160分钟，得到的反应混合物经离心处理，得到的沉淀物经后处理得到双层空心Fe-Pm微球；所述吡咯、噻吩、去离子水、盐酸水溶液和Fe₃O₄颗粒分散液的体积比为0.09～0.11：0.03～0.04：4.5～5：0.9～1.1：1(优选0.1：0.03：1：4.7：1：1)；

(3)将步骤(2)制备得到的双层空心Fe-Pm微球在氩气氛围下，在948～952℃下碳化55～65分钟后，得到Fe/N/S三掺杂双层空心介孔碳材料。

进一步，步骤(1)中，所述乙二醇体积用量以所述的FeCl₃·6H₂O的质量计为40～45mL/g(优选44mL/g)。