[发明专利]一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe0

说明书

本发明公开了一种石墨化基氮络合的Fe(III)‑Fe⁰催化剂及其合成方法和应用。本发明以石墨烯作为基底，2‑甲基咪唑和锌盐作为金属有机框架前驱体，纳米四氧化三铁作为铁源，聚乙烯吡咯烷酮作为黏合剂，通过原位掺杂的焙烧过程合成目标催化剂。该催化剂可应用于双酚A、2‑氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、布洛芬、苯妥英和2,4‑二氯苯氧乙酸等有机污染物的催化降解。

技术领域

本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种石墨化基氮络合的 Fe(III)-Fe⁰催化剂及其合成方法和应用。

背景技术

随着城市化和工业化的快速发展，有毒物质不断释放到水体中所引起的环境污染问题已成为世界的焦点问题。各种污染物，如工业染料、药品和农用化学品广泛存在于废水、河流和地下水中，它们能够直接或间接地影响动物甚至人类健康。由于这些新型有机污染物成分复杂，具有难降解性、持久性和毒性，利用传统的污水处理技术难以将其有效去除。

高级氧化技术，包括芬顿催化氧化、过硫酸盐活化、光催化、催化臭氧化等，作为一种新兴的污水处理技术，因其能活化氧化剂(过氧化氢、过硫酸盐、臭氧等)产生具有强氧化性的活性氧自由基，在污水处理中取得显著的成效而受到人们的广泛关注和研究，被公认为去除水体难生物降解有机污染物最强有力的手段。然而，活化这些氧化剂常需要用到光辅助、声辅助、电辅助等方式，造成大量外能的消耗和大于当量比的氧化剂的消耗。以芬顿催化氧化技术为例，研究表明，为用于污水处理，H₂O₂的全球产量预测超过220万吨/年，并且以4％的增长率持续增长，这些都极大地增加了污水处理成本，阻碍了高级氧化水处理技术的实际应用。

近年来，学者研究发现，通过构建催化剂表面微电场形成极化中心，能有效利用污染物的电子供给氧化剂定向还原产生具有强氧化性的羟基自由基，不仅在很大程度上提高了污水处理效率，也减少了氧化剂的过度消耗。在这个极化双反应体系中，污染物作为电子供体，而氧化剂则作为电子受体不断捕获消耗电子，促进整个反应体系的电子循环和污染物降解进程，电子被俘获是反应进行的关键步骤。受这些研究的启发，本发明通过金属与有机物之间的巧妙络合，制备出石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂，不仅通过金属与有机物的化学配位极大降低了污水处理中对污染物降解所需的能耗，在常温下便能取得优异的降解效果；并且在反应体系中无需额外投加氧化剂，仅仅利用氧气的电子捕获能力即能推动整个体系的电子循环，真正意义上实现了以有机污染物的能量去彻底矿化去除有机污染物，极大降低了污水处理成本，这对污水处理技术的发展及工业化应用具有重大的实际借鉴意义。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰的催化剂的合成方法。该方法以石墨烯作为基底，2-甲基咪唑和硝酸锌六水合物作为金属有机框架前驱体，纳米四氧化三铁作为铁源，聚乙烯吡咯烷酮作为黏合剂，通过原位掺杂的焙烧过程合成目标催化剂。

本发明的另一目的在于提供根据上述方法制备得到石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂在双酚A、2-氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、布洛芬、苯妥英和2,4-二氯苯氧乙酸等有机污染物催化降解中的应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:

一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，包括以下步骤：

(1)将纳米四氧化三铁加入甲醇中形成分散液A；

(2)将2-甲基咪唑和分散液A加入甲醇中，形成溶液A；

(3)将锌盐和聚乙烯吡咯烷酮溶于甲醇-氧化石墨烯溶液中，形成溶液B；