[发明专利]一种过渡金属锌掺杂硫化钼复合催化粉体材料及其制备与应用

说明书

本发明公开了一种过渡金属锌掺杂硫化钼复合催化粉体材料及其制备与应用，该复合催化粉体材料是一种过渡金属锌掺杂硫化钼的粉体材料。本发明的复合催化材料具有性能优异、比表面积大、重复利用率高、分散性好等优点，基于其构建的一体化甲酸耦合还原反应装置可高效还原重金属六价铬污染物；同时本发明的制备工艺流程简单、操作可控，具有安全、高效、绿色环保等优点，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及无机催化剂制备技术领域，具体涉及一种过渡金属锌掺杂硫化钼复合催化粉体材料及其制备与应用。

背景技术

重金属污染由于其不可降解的特性，已成为世界各国长期关注的环境问题。六价铬是一种常见的水污染物，广泛产生于电镀、金属加工、制革、染料、钢铁和化工等工业领域。若处理不当渗入地表则会污染地下水，从而严重危害环境和人体健康。在水环境中，铬主要以六价铬和三价铬的形式存在。铬的两种氧化态具有明显不同的化学性质，对人体的毒性也不同。六价铬具有高迁移性和高毒性，对人体有致畸、致癌作用。三价铬不易迁移，毒性更低，是与人体健康和生命有关的必需微量元素。我国生活饮用水标准规定六价铬最大浓度不超过50μg/L。因此，有必要对环境中的六价铬污染进行修复，以避免六价铬引发严重的环境和健康问题。

目前六价铬的处理方法主要有电絮凝法、膜分离法、离子交换法、吸附法和化学还原法。其中，化学还原法由于其成本低、效率高、环境友好等优点，被大多数研究者所青睐。化学还原法是将六价铬还原为三价铬，然后加碱调节pH值，使三价铬进一步沉淀去除。常用的还原剂包括硫酸亚铁、二氧化硫、亚硫酸盐、聚合氯化铝铁等。然而，使用这些传统的还原剂会引入其他杂质离子，造成后续的分离困难。甲酸是一种利用可再生生物质资源生产的绿色化学物质，具有价格低廉、还原能力强等特点，在金属催化剂的活化下直接矿化为水和二氧化碳而不产生任何有毒的中间体。甲酸作为一种将六价铬转化为三价铬的还原剂，极具应用前景。研究发现，具有高表面能的各种贵金属催化剂(例如,Au、Ag、Pd和Pt)已经被用于六价铬的还原。但这些贵金属基催化剂的投资成本很高。这一局限性促使人们致力于开发高效的非贵金属催化剂。二硫化钼是一种天然存在的层状固体，由于其独特的电子特性，已经被用于析氢反应的催化、电化学插层、储氢和锂电池中的涂层材料等许多领域。在化学还原法中，二硫化钼催化剂得到了的理论和实验验证，是最具潜力的非贵金属催化剂之一。

目前，对于硫化钼催化活性的提升，主要是通过相变工程、缺陷工程、杂元素掺杂等手段。面内缺陷工程和杂元素掺杂是活化硫化钼，增加活性位点数和提高催化活性的有效手段。因此，找到一种廉价的手段能够得到超小尺寸、元素掺杂、同时有大量面内硫空位的硫化钼材料，对于推动环境的进步具有重要意义。金属锌是一种典型的过渡金属，其价格低廉、性能优异并且与硫化钼结合表现出很好的相容性，因此当锌元素掺入硫化钼后，锌离子很容易地进入硫化钼的晶格结构中，可有效增加硫化钼表面活性位点数量，从而增强硫化钼表面活性，高效还原六价铬，提高反应效率。专利CN109378267A公开了一种硫化钼材料的制备方法，先用光刻法得到光刻图案，再采用镀膜工艺沉淀钼基膜层，最后用高温加热法得到目标产物，其存在生产过程极其繁琐、操作复杂、所需设备多、不易于大规模生产等问题。专利CN103641171А公开了一种Zn²⁺调控合成MoS₂材料的方法，以钼源、硫源、还原剂为原料，通过加入Zn²⁺对产物的形貌进行调控，合成了MoS₂材料，但该方法所制得的催化剂存在易失活、团聚、产生相当的离子浸出、易造成水体二次污染、不易回收等技术缺点。专利CN110614104A公开了一种处理污水的硫化钼光催化材料的制备方法，采用水热法和原位沉淀法制备出目标产物对污水进行处理，但其处理污水的条件需要光照、不能简单快速地处理污水，并且紫外光的吸收范围较窄，光能利用率较低，耗能较大，污水的还原率不高。

综上所述，无论在材料制备过程、产物性能方面，还是在还原六价铬污染物的方法方面，以往的报道均存在活性低、成本高等问题。因此，一种成本低廉、操作简单、性能优异的催化材料的制备以及简单、高效、快速还原六价铬的方法亟待发掘。

发明内容