[发明专利]一种纳米线网络结构的铜基催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种纳米线网络结构的铜基催化剂及其制备方法和应用，该方法首先使用醇热法将铜源和钯源形成铜钯纳米颗粒，然后铜钯纳米颗粒自组装成铜基纳米线网络结构，得到的铜基纳米线网络结构在水相具有超级分散性能。该方法制得的铜基纳米线网络结构是由铜钯合金组成，该铜基纳米线网络结构作为还原水体硝酸盐或亚硝酸盐的催化剂时，室温下温和催化甲酸产氢并进一步选择性还原硝酸根或亚硝酸根为氮气，它作为一个双功能催化剂，同时串联催化两个化学反应。相较银钯合金纳米催化硝酸根，该铜基纳米线网络结构不仅大大提升了氢源甲酸的利用率，而且降低了催化剂的成本，该材料有利于进一步规模化研究水体硝酸根去除技术。

【技术领域】

本发明属于水体污染物去除的技术领域，具体涉及一种纳米线网络结构的铜基催化剂及其制备方法和应用。

【背景技术】

全球日益严重的能源危机和环境污染问题备受全球各国政府关注，尤其是水体污染，并且成为阻碍人类社会可持续发展的重大挑战之一。在各式各样的水体污染源中，硝酸盐污染问题日益突出，对人体健康和生态系统造成严重危害。因此，硝酸根的去除问题已被逐渐提上日程，并成为当前环保的重点和难点，改善和发展现有的硝酸根去除技术十分必要。世界卫生组织最近颁布的水质标准要求硝酸根的浓度不超过10mg/L，为此方向的研究提出了标准和重大挑战。

然而，鉴于硝酸盐在水中以无色无味状态稳定存在，通过普通物理或化学分离技术很难将其去除。因此，为解决硝酸根的污染问题，研究人员先后发展了离子交换、反渗透、电渗析、催化还原以及生物降解等方法。目前为止，催化还原技术由于避免了二次污染问题，同时具有高选择、高效性及环境友好等特点，被认为是去除硝酸根的最佳途径。其中，最具应用潜力的催化体系是以甲酸作为绿色氢源，利用具有高选择性和高活性的催化剂将水体中硝酸根还原为无害氮气，这种方法也存在安全隐患和甲酸二次污染水体的难题。解决此难题，现在主要以发展的贵金属银钯催化体系，而银钯体系对催化甲酸活性极高，导致氢气的产生速率太快，使得银钯催化体系氢源利用极低，需要在催化体系加入过量的甲酸，确保水体硝酸根完全被去除，银钯催化剂再继续催化水体剩余的甲酸，解决甲酸的二次水体污染难题。再加之，制备银钯贵金属体系的合成原料昂贵，进一步阻碍了银钯体系的规模化应用。因此，发展一类能降低催化剂成本以及合理使用氢源的催化迫在眉睫。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种纳米线网络结构的铜基催化剂及其制备方法和应用，用于解决现有技术中硝酸盐根反应不彻底，氢源浪费的技术问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种纳米线网络结构的铜基催化剂的制备方法，按照比例131mg：(10～15)mL混合聚乙烯吡咯烷酮与多元醇，将混合物加热回流后加入硫酸铜和硝酸钯的水溶液，加热后继续回流进行还原反应；加入的硫酸铜和硝酸钯的水溶液和多元醇的比例为(40-60)mg：(20-40)mL，硫酸铜和硝酸钯水溶液中硫酸铜和硝酸钯的摩尔比为7:3、5:5或3:7；

还原反应结束后冷却至室温，将产物离心处理并洗涤后得到铜基纳米线网络结构。

本发明的进一步改进在于：

优选的，所述多元醇为乙二醇或1,3-丁二醇。

优选的，聚乙烯吡咯烷酮与多元醇的混合物回流加热温度为200～220℃，回流加热时间为20～30min。

优选的，加入硫酸铜和硝酸钯后回流温度为200～220℃，回流时间为2～4h。

优选的，离心转速为8500r/min，离心清洗催化剂3-5次，每次离心时间为8-10min。

优选的，所述多元醇为乙二醇、硫酸铜和硝酸钯的摩尔比为5:5。

一种通过上述制备方法制得的纳米线网络结构的铜基催化剂，所述催化剂为铜钯合金，其微观形貌为纳米线网络结构，其中纳米线的直径为5-7nm。