[发明专利]一种碳封装缺陷铁纳米催化剂及其制备方法与其催化过一硫酸氢盐降解新兴污染物的应用

说明书

本发明公开了一种碳封装缺陷铁纳米催化剂及其制备方法与其催化过一硫酸氢盐降解新兴污染物的应用。该制备方法包括：水热法合成亚铁基金属有机骨架材料作为前驱体；在氮气氛围下高温热解前驱体，得到黑色固体粉末；将黑色固体粉末在稀硫酸中搅拌水洗后，离心，用甲醇进行洗涤，离心，烘干，得到碳封装缺陷铁纳米材料。该方法利用热解铁基金属有机骨架材料的方法，最大程度下保留Fe基缺陷位点的情况下生成了稳定的C‑Fe。在常温条件下，C‑Fe可以吸附和催化活化PMS高效降解多种新兴污染物(ECs)。该催化剂易于回收循环使用，经过多次重复利用后活化效果依然很好，是一种环境友好型材料，在降解新兴污染物方面具有很大的应用前景。

技术领域

本发明属于水污染控制技术领域，具体涉及一种碳封装缺陷铁纳米催化剂及其制备方法与其催化过一硫酸氢盐降解新兴污染物的应用。

背景技术

随着农药、抗生素和化妆品的广泛应用，地表水中新兴污染物(ECs)的浓度从ngL^-1上升到μg L^-1，有的甚至上升到mg L^-1，从而对水生环境造成了巨大的威胁。此外，传统的水处理工艺由于其稳定的化学结构和生物蓄积特性，不能有效地去除废水中的ECs。因此，有效去除废水中的ECs已成为环境领域的研究热点。

近年来，以活化过一硫酸氢盐(PMS)为基础产生硫酸根(SO₄^-·)的高级氧化工艺(AOPS)在去除废水中有机污染物方面受到了广泛的关注。PMS的活化方法主要有均相活化和非均相活化两种。虽然热、UV、过渡金属离子(如Co²⁺、Fe²⁺、Ag⁺)可以通过均相活化PMS，但不可避免的外加能量和造成二次污染(N.Jaafarzadeh,F.Ghanbari,M.Ahmadi,Efficientdegradation of 2,4-dichlorophenoxyacetic acid by peroxymonosulfate/magneticcopper ferrite nanoparticles/ ozone:A novel combination of advanced oxidationprocesses,Chemical Engineering Journal.320 (2017)436–447.doi:10.1016/j.cej.2017.03.036.)。目前为止，钴基催化、多孔碳和铁基催化剂等非均相催化剂在PMS活化方面取得了重大进展。然而，钴基催化容易浸出有毒钴离子，造成二次污染(P.Hu,M.Long,Applied Catalysis B:Environmental Cobalt-catalyzed sulfate radical-based advanced oxidation:A review on heterogeneous catalysts andapplications,“Applied Catalysis B,Environmental.”181(2016)103–117.doi:10.1016/j.apcatb.2015.07.024.)；多孔碳由于其合成工艺复杂，成本高，不适合广泛应用(W.Tian,H.Zhang,X.Duan,H.Sun,M.O.Tade, H.M.Ang,S.Wang,Nitrogen-and Sulfur-Codoped Hierarchically Porous Carbon for Adsorptive and Oxidative Removal ofPharmaceutical Contaminants,(2016).doi:10.1021/acsami.6b01748.)。因此，铁基催化剂最有可能发展成为一种低成本、环境友好的非均相催化剂。

铁基金属有机骨架(MOFs)由于其结构多样性和配位不饱和金属位点(CUS)的存在，在催化领域具有巨大的潜在优势。然而，MOFs的结构稳定性差导致活化的PMS降解ECs过程中晶体结构的崩溃，影响MOFs催化剂的循环使用以及造成二次有机污染。因此，需要寻找一种可靠的方法在保护MOFs催化剂催化位点的同时，使MOFs材料稳定化。

发明内容