[发明专利]负载型过渡金属碳化物类芬顿纳米催化剂制备方法及应用

说明书

本发明涉及一种负载型过渡金属碳化物类芬顿纳米催化剂的制备方法，包括以下步骤：(1)制备或准备二维过渡金属碳化物粉末；(2)将二维过渡金属碳化物粉末分散到插层剂中进行插层反应，然后离心、洗涤、冷冻干燥得到插层产物；(3)将插层产物分散到超纯水中，加热进行预反应；然后在冰水浴条件下，向预反应后的混合液中加入过氧化氢溶液进行二次刻蚀，静置，离心，取上清液，即得到所述的负载型过渡金属碳化物类芬顿纳米催化剂。与现有技术相比，本发明具有催化活性高、成本低、操作简便、可重复性好、不受pH值影响、成果易转化等优点，在水质、空气净化，土壤暗场修复及新能源等领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及芬顿/类芬顿催化剂制备技术领域，尤其是涉及一种高分散度、高均匀度、高缺陷度、催化效果优异的负载型过渡金属碳化物类芬顿纳米催化剂的制备方法及应用。

背景技术

在实际的环境修复过程中，经常会遇到弱光(深水)或者无光(土壤)的环境条件，此时光催化技术的实施在很大程度上会受到限制。高级氧化技术(Advanced OxidationProcess,AOP)中的芬顿氧化技术(Fenton process)因其高效的氧化性能，广普的适用范围(水、土介质)等优势而广受国内外研究学者及实际场地修复者的青睐，可作为光催化氧化技术的有力补充。然而，传统的芬顿氧化技术中Fe³⁺还原为Fe²⁺作为整个反应过程的决速步骤，其极低的反应速率严重制约了双氧水的分解效率和氧化性自由基的产生，导致基于芬顿反应的AOP技术需要消耗大量的Fe²⁺(18–410mmol·L^-1)和H₂O₂(30–6,000mmol·L^-1)来实现有机污染物的降解，同时其苛刻的反应条件(低pH值)，施用过程中存在的大量放热，冒泡等现象，对水质，土壤的理化性质的破坏均限制了其广泛地应用。为此，研发一种广普适的(宽pH值范围)高效、环境友好型的芬顿/类芬顿纳米催化剂是一项极其严峻的考验。

二维材料具有独特的电学、光学和机械性能，而二维的金属碳化物或氮化物(MXenes)作为新型的二维材料，具有类石墨烯高比表面积、高电导率的特点，又具备组分灵活可调，最小纳米层厚可控，水溶性好等优势，在储能、电磁屏蔽、水处理、气体/生物传感以及光电化学催化等领域拥有巨大潜力。但目前其制备方法相对复杂，成本较高，且存在一定的危险性。为此，在充分利用二维材料MXenes的优势的基础上，研发一种简便易行的合成方法就具有十分重要的意义。

均相催化剂具有高活性和高选择性，但与反应体系分离困难，难以重复使用，因此催化剂成本高，不利于工业化应用，甚至可能带来重金属离子的污染。为了克服均相催化剂的上述缺点，许多学者进行了大量的研究，目前普遍采用均相催化剂固载化制备非均相催化剂。相比之下，非均相催化剂容易从环境介质中分离，可反复使用。但非均相催化剂的活性和选择性往往不如均相催化剂，主要是存在活性位点分散度下降，易团聚以及存在扩散阻力等问题。因此，合成一种具有高分散度，高均匀度催化活性位点的非均相纳米催化剂将是一项极其严峻的考验，其目的在于：最大化地暴露催化活性位点，提高催化活性，降低成本。

中国专利CN 108786870A公布了一种纳米复合物钛基光-类芬顿试剂及其制备方法和应用，制备方法包括以下步骤：(1)将碳化铝钛粉末与氢氟酸溶液混合，搅拌反应，然后离心、洗涤、干燥，得到第一产物；(2)将第一产物分散在溶剂中，搅拌处理，室温下，加入过氧化氢，静置，然后加溶剂进一步稀释，离心，取上清液，得到目标产物；该试剂为氧化钛/多孔单层碳化钛复合材料，氧化钛由碳化钛片层上的过渡金属Ti原位氧化而成，部分氧化钛从碳化钛片层上脱落，在碳化钛片层上形成微孔。但是该专利的催化位点均匀度有待进一步提高，催化效果还有提升空间。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的催化活性低、活性组分分散度低等缺陷而提供一种具有高分散度，高均匀度催化活性位点的负载型过渡金属碳化物类芬顿纳米催化剂的制备与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：