[发明专利]一种金属单原子催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种金属单原子催化剂及其制备方法和应用，属于环境保护领域。一种金属单原子催化剂的制备方法，所述金属单原子催化剂是以化学式为M_n+1AX_n的MAX基陶瓷粉末和金属B的无机盐粉末为原料，在惰性气体氛围保护下，在一定温度条件下使用一定比例的金属B的熔融盐对MAX陶瓷中的A原子和M原子进行一定时间的置换反应，之后清洗MAX基陶瓷表面的金属颗粒后制得金属单原子催化剂。本发明所述方法采用一步法实现单原子催化剂的锚定制备，不需要对载体进行复杂的掺杂处理。与现有的过渡金属离子及其化合物活化过硫酸盐方法相比，本发明显著降低了过渡金属投加量，能够解决金属离子泄露、出水色度增高和污泥处置问题。

技术领域

本发明涉及一种金属单原子催化剂及其制备方法和应用，属于环境保护领域。

背景技术

传统的给水(混凝-沉淀-过滤-消毒)和污水(活性污泥法)处理工艺对水体中频繁检出的难降解有机污染物如抗生素类药物、个人护理品、合成农药等处理效果不佳[1-2]。水体中频繁检出的难降解有机污染物不仅影响水资源的循环使用，还会对动植物健康产生潜在的损害风险[1-3]。

过硫酸盐高级氧化技术被证明能够快速去除水体中存在的难降解有机污染物[3]。其中，低价态过渡金属离子及其化合物活化过硫酸盐是报道最早、研究最广泛的活化方法，但是却面临金属投加量过多导致的成本较高、金属离子泄露、出水色度增高、污泥处置等一系列问题[4-5]。解决以上问题的关键在于保持催化剂高活性的同时降低过渡金属投加量。

将金属纳米颗粒和纳米团簇的尺寸降低到原子尺度，使金属原子以高分散甚至单个孤立原子的形式负载在催化剂载体上，即单原子催化剂，能够以极低的催化剂负载量(1％)实现超高的催化能力[6]。因此，单原子催化剂具备解决以上问题的能力。

参考文献

[1]那广水,陈彤,张月梅,顾佳,刘春阳,张琳,姚子伟.中国北方地区水体中四环素族抗生素残留现状分析[J].中国环境监测[J],2009,25(06):78-80.

[2]Christou Anastasis,Karaolia Popi,Hapeshi Evroula,Michael Costas,Fatta-Kassinos Despo.Long-term wastewater irrigation of vegetables in realagricultural systems:Concentration of pharmaceuticals in soil,uptake andbioaccumulation in tomato fruits and human health risk assessment[J].WaterResearch,2017,109:24-34.

[3]Oh Wen Da,Dong Zhili,Lim Teik Thye.Generation of sulfate radicalthrough heterogeneous catalysis for organic contaminants removal:Currentdevelopment,challenges and prospects[J].Applied Catalysis B:Environmental,2016.

[4]Du Y.,Ma W.,Liu P.,Zou B.,Ma J.Magnetic CoFe₂O₄ nanoparticlessupported on titanate nanotubes(CoFe₂O₄/TNTs)as a novel heterogeneous catalystfor peroxymonosulfate activation and degradation of organic pollutants[J].Journal of Hazardous materials,2016,308:58-66.