[发明专利]一种碳基锰复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种碳基锰复合材料及其制备方法和应用，属于环境有机污染修复技术领域。本发明以植物修复中超积累植物的生物质作为原料，利用超积累植物生物质的固有属性，通过一步热解即可制备得到碳基锰纳米材料或碳基锰单原子材料，既可以降低纳米材料或单原子材料的制造成本，又可以充分利用植物修复过程中产生的大量高金属含量的生物质，有效避免了植物修复中潜在的二次污染的问题，解决了植物修复中超积累植物生物质处理困难的问题，从客观上也推动了植物修复技术的发展与应用。此外，所制备的碳基锰复合材料具有高效的光催化能力，可作为环境修复材料应用于含染料废水的修复中，在太阳光作用下即可实现含染料有机污染物的完全降解。

技术领域

本发明涉及环境有机污染修复技术领域，尤其涉及一种碳基锰复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

超积累植物指的是一类可以在富含重金属的土壤中生长并且能在植物体内储存非常高浓度重金属的植物，这些植物可以储存高浓度的重金属而不会对植物体本身产生生物毒性。现在已经发现超过500种超积累植物，其中美洲商陆(Phytolacca americana)可以富集锰等重金属，是一种常见的超积累植物。美洲商陆对锰具有十分高的富集能力，而且锰主要集中在地上部分，叶片中锰的富集量可以达到叶片干重的1％以上，根部锰富集量相对较低，但是也在0.1％以上。

基于超积累植物，一种新兴的、绿色的土壤重金属污染修复技术-植物修复技术在近二十年中受到了广泛的关注。植物修复是将超积累植物种植在被污染的环境中，到成熟期，富集金属的地上部分被收获，从而达到净化环境金属污染的目的。植物修复具有成本低、效果高、环境友好和公众认可度高等特点，无论是在固态基质(比如土壤)、液态基质(比如水)还是空气中，都有很好的应用前景。然而，植物修复所收获的超积累植物在富集重金属后的处理是一个严重的问题。最常用的处理方法是焚烧，但是焚烧的过程中是否会产生飞灰等二次污染，或者能否将重金属回收资源化利用依然是植物修复所面临的重要问题。

纳米材料是近几十年来受到广泛关注的新型材料，其特征是至少有一维尺度在1-100nm之间，由于其特殊的量子尺寸效应及边界效应，使其与相应的块状材料相比或者在力、电、磁、声、光学性能方面均有着截然不同的性质，例如极高的光极化率、非线性的电导率、较小的热激发能以及电子在金属纳米颗粒中传导所形成的库伦阻塞及库伦梯层现象等等，这些特殊的性质使其具有广泛的应用前景和实用价值。当纳米材料尺寸继续减小，减小到只有一个原子大小时，便成为了单原子材料。单原子材料的边界效应更加明显，配位饱和度更低，原子利用率更高，因此，单原子材料具备比纳米材料更加高效的催化能力。碳基材料具有原料丰富、价格低廉、比表面积大和导电性高等优点，碳基纳米材料和单原子材料广泛应用于各类催化反应中，在CO氧化、CO₂还原(CO₂RR)、析氢反应(HER)、氧还原反应(ORR)以及氮还原反应(NRR)等反应中展现出了超强的催化活性和选择性。

然而，目前未见将超积累植物用于碳基纳米材料或碳基单原子材料的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳基锰复合材料及其制备方法和应用，所述制备方法以超积累植物为原料，能够制备得到碳基锰纳米材料或碳基锰单原子材料，既可以降低纳米材料或单原子材料的制造成本，又可以充分利用植物修复过程中产生的大量高金属含量的生物质，有效避免了植物修复中潜在的二次污染的问题，解决了植物修复中超积累植物生物质处理困难的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳基锰复合材料的制备方法，包括以下步骤：

分别将锰超积累植物的地上部分和地下部分进行热解，得到碳基锰复合材料；

当原料为锰超积累植物的地上部分时，所述碳基锰复合材料为碳基锰氧化物纳米材料；

当原料为锰超积累植物的地下部分时，所述碳基锰复合材料为碳基锰单原子复合材料。