[发明专利]一种Fe/N共掺杂介孔碳球催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Fe/N共掺杂介孔碳球催化剂及其制备方法与应用。本发明的Fe/N‑C催化剂是以多孔Fe₃O₄纳米微球为牺牲模板，通过原位复制和转换策略所制成的具有大介孔球形颗粒，得到的催化剂颗粒具有高比表面积和孔体积。本发明所述的Fe/N共掺杂介孔碳球应用于处理含有苯酚、抗生素、染料类等的废水。本发明所述的Fe/N‑C催化剂在酸性，中性和碱性pH条件下仍保持着较高的催化活性，具有较宽的pH应用范围，稳定性强，强酸强碱不易破坏催化剂本身结构；本发明所述的Fe/N‑C催化剂具有大量介孔和高比表面积的Fe/N‑C结构可充分暴露活性位点，有利于基质的吸附和传输，从而促进PMS的活化，提高污染物氧化降解效率。

(一)技术领域

本发明属于废水处理和环境催化技术领域，具体涉及一种Fe/N共掺杂大孔径介孔碳球催化剂及其制备方法与应用。

(二)背景技术

基于硫酸根自由基(SO₄^●-)的高级氧化技术(SR-AOPs)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。过一硫酸氢盐(PMS)的活化是产生SO₄^●-的主要方式，研究表明，钴基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，但处理过程中高毒性钴离子的流失容易危害水生生物的安全。铁基材料来源丰富、安全低毒、成本低廉，被视为钴基催化剂的理想替代选择。但铁基材料催化分解PMS的活性较低，且只能在低pH范围才表现出一定活性，而其在酸性环境中的稳定性又得不到保证，因此极大地限制了其在SR-AOPs技术中的使用。

碳纳米材料，尤其是杂原子掺杂型碳纳米材料，在SR-AOPs水处理领域受到普遍关注，这是因为：1)杂原子如N、S、P等掺杂的碳可以作为无金属(Metal-free)催化剂单独激活PMS氧化降解有机污染物；2)石墨碳基质可吸附富集有机污染物到催化活性位点以提高催化剂附近的局部反应物浓度。尽管有以上优点，但碳纳米材料在实际SR-AOPs过程中的催化活性仍有待进一步加强。因此，设计在SR-AOPs中兼具铁基材料和碳基材料优势又能克服其不足的高活性、高稳定性、宽pH适应范围的类芬顿催化剂的需求极为迫切。

(三)发明内容

本发明是要解决现有铁基和碳基纳米材料在SR-AOPs中催化活性不理想，处理有机污染物效果不佳的问题。同时克服催化剂稳定性差和pH适用范围窄的问题。从而提供一种兼具铁基和碳基材料优势的Fe/N共掺杂大孔径介孔碳(Fe/N-C)催化剂，且能与PMS耦合形成非均相类芬顿体系催化氧化去除有机污染物。

本发明的Fe/N-C催化剂是以多孔Fe₃O₄纳米微球为牺牲模板，通过原位复制和转换策略所制成的具有大介孔球形颗粒，得到的催化剂颗粒具有高比表面积和孔体积。

所述Fe/N-C催化剂的制备方法按以下步骤进行：

(1)将FeCl₃·6H₂O和CH₃COONa溶解在乙二醇中，搅拌均匀得到混合液，将所述的混合液中于195～205℃常压下进行水热反应19.5～20.5小时，将得到的混合液经后处理得到多孔Fe₃O₄微球；所述的FeCl₃·6H₂O和CH₃COONa的质量比为1:2.5～3(优选1：2.67)；