[发明专利]竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法

说明书

一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法，属于污染水体修复技术领域。所述复合材料包括分级多孔生物碳和形成于分级多孔生物碳表面的竹节状碳纳米管，其中，所述竹节状碳纳米管为似空心竹节的管状结构，管径为30～100nm，管内分散有粒径10～20nm的金属纳米颗粒；所述分级多孔生物碳为带多孔结构的颗粒，包括孔径为2nm～50nm的中孔和孔径小于2nm的微孔，其比表面积为200～400m²/g。本发明竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料具有比表面积大、管径小、金属颗粒粒径小、催化降解性能好和传导电子能力强等优点。

技术领域

本发明涉及一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法，制备所得的复合材料用于催化过硫酸盐降解有机污染物的污染水体修复领域。

背景技术

随着我国工业的高速发展，大量排放的有机污染物进入水体，其中包含染料、抗生素、农药、杀虫剂等，对动物和人类的健康带来了严重的影响。而传统水处理工艺比如吸附、分离并不能对其进行有效处理，目前高级氧化工艺(AOPS)是处理水中有机污染物的最高效的技术。

高级氧化工艺(Advanced Oxidation Processes，AOPs)是近年来发展起来的新技术，由Glaze等首次提出，是目前处理难降解有机物的最有效方法。高级氧化工艺由于具有产生强氧化性物质的能力，能够将有机污染物降解成无毒或低毒的小化合物，甚至是彻底降解成无害的二氧化碳和水，引起了越来越多的关注。传统的高级氧化技术，比如芬顿(Fenton)氧化法和类芬顿氧化法通常存在产生大量的含铁污泥、H₂O₂利用率低下等问题。活化过硫酸盐是一种新型的高级氧化工艺，通常采取Co²⁺、Cu²⁺等为催化剂，催化过硫酸盐产生硫酸根自由基，氧化有机污染物，矿化为CO₂和H₂O；但是Co²⁺、Cu²⁺等容易进入水体，带来重金属污染的风险，另外催化剂难以回收，成本高，同时，催化活性不高，一般需要借助紫外光、超声波、臭氧等进行辅助，导致费用高、能耗大等问题，限制了它们的实际应用。在活化过硫酸盐的领域，碳基材料和铁基材料，由于其价格低廉、环境友好、不会带来二次污染，在活化过硫酸盐的高级氧化工艺中显示出极其诱人的前景。

通过对现有的技术文献的检索发现，张倩等在《中国环境科学》2019，39(09)上发表Fe/污泥基生物炭持久活化过硫酸盐降解酸性橙G；王森等在《环境工程学报》2019，05上发表Fe²⁺活化过硫酸盐对市政污泥EPS性能的影响；刘美琴等在《中国环境科学》2018，38(04)上发表Fe²⁺活化过硫酸盐耦合活性炭深度处理焦化废水；还有一些用碳纳米管和石墨烯作为活化剂的报道，碳纳米管和石墨烯具有高的比表面积和高度的石墨化C提供了大量的催化活性位点，传导电子能力强，机械性能优良，耐酸碱性良好等优势，是目前研究的热点。合成碳纳米管和石墨烯的方法有许多，但是这些方法都工艺复杂、能耗和成本高。而本发明通过极少的过渡金属，在生物质废料协同作用下，原位生成了金属颗粒包封于竹节状的超长碳纳米管，旨在提供一种新的方法来合成碳纳米管，以解决传统方法中的耗时长、耗能高、纯度低、反应操作繁琐等问题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种竹节状碳纳米管/分级多孔生物碳复合材料及其制备方法。本发明通过极少量的过渡金属，在废弃的生物质协同作用下，原位生成了金属颗粒包封于竹节状的超长碳纳米管，在简化传统碳纳米管合成方法的同时，也保证了所合成出来的碳纳米管的比表面积大、管径小，金属颗粒粒径小、催化降解性能好和传导电子能力强等优点，从而为生产高性能的金属包封于碳纳米管的材料提供了新的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：