[发明专利]一种氮掺杂非金属催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂非金属催化剂的制备方法及其应用。本发明采用水热一锅法制备氮掺杂非金属催化剂，具体步骤为：将纳米二氧化硅浸泡于含氨基的硅烷偶联剂的醇类或酮类溶液中，通过表面接枝使其表面带有正电荷，然后干燥、研磨，并分散于水中；将氧化石墨烯分散液与纳米二氧化硅分散液混合、加热并搅拌均匀；将混合分散液置于内衬为聚四氟乙烯的容器中，再加入氨水，在高压、高温、匀速搅拌的条件下反应；然后冷却、洗涤，通过干燥去除所含水分，即得。本发明制备过程简单易行，成本和能耗低，可有效活化过硫酸盐以降解有机物污染物。

技术领域

本发明涉及环境污染处理领域，特别涉及一种氮掺杂非金属催化剂的制备方法及其应用。

背景技术

高级氧化技术又称做深度氧化技术，具有高效、经济等特点，被广泛应用于环境污染处理当中。由于过硫酸盐可以被催化活化产生硫酸根自由基，具有高氧化电位和强氧化性，能与很多污染物发生反应，达到净化的目的，因此基于过硫酸盐的高级氧化技术在污染物去除降解方面拥有广阔的应用前景。

激活过硫酸盐氧化的催化途径有很多，如光催化、高温、微波以及金属或非金属催化剂。工业生产中金属催化剂较为常用，金属催化剂的制备常常需要经过水热反应、高温热解(450-700℃)以及后期的氧化处理，过程复杂且制备条件比较苛刻。专利CN 109647413B公开了一种负载型金属催化剂CuOMO@Fe₃O₄，能够降解有机污染物，但反应条件需要pH在7～9的范围内，容易产生金属浸出等问题。专利CN 110170328A公开了一种锰酸钴/N-掺杂石墨烯复合催化剂强化氮掺杂石墨烯的活性，虽然达到了较好的催化效果，但是金属催化剂不能循环使用，提高了运行成本，不利于工业化应用，更为严重的是如果金属渗入自然界，会对大气、水体、土壤造成严重的环境污染。

非金属催化剂中使用较多的是碳材料，如碳纳米管，石墨烯等，石墨烯材料由于其比表面积高、良好的导电性和表面缺陷位点都有助于活化过硫酸盐而受到广泛关注。为了更进一步强化其催化活性，研究表明在石墨烯材料中掺杂氮原子可以提高其活性位点。郑晚制备了一种氮掺杂石墨烯活化过硫酸盐降解苯酚，得出非自由基反应是反应过程中主要的反应途径，反应后TOC降低53％，但是，氮掺杂石墨烯在制备过程中易出现团聚、稳定性差等缺点，因此活性位点的暴露率大幅降低，无法达到较好的降解效果。此外，一些非金属催化剂的制备条件要求也比较高，比如在专利CN111620327A中公布了一种离子束制备氮掺杂石墨烯的方法,在氮掺杂过程中需要在真空条件下进行，以及使用的离子束设备，都使得制备过程复杂及价格昂贵。专利号为CN111804322A公开了一种活化过硫酸盐的氮掺杂石墨烯负载氮化碳复合材料的制备方法,该复合材料对部分污染物有较好的去除作用，但是制备过程所用的半导体聚合物g-C₃N₄使制备成本大大提高，不利于大规模生产应用。因此，寻找一种简单经济的方法制备高效石墨烯类催化剂是现在研究热点。此外增加活性电位密度，提高氧化剂利用效率，加快反应时电子传递效率仍是目前高效催化剂研究的方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮掺杂非金属催化剂的制备方法及其应用，该催化剂制备过程简单易行，其用于过硫酸盐高级氧化技术处理有机污染物中，氧化剂利用率高，重复性能好，没有二次污染且可以有效降解污染物。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种氮掺杂非金属催化剂，其由石墨烯或还原氧化石墨烯微米片层和纳米二氧化硅，经过氮掺杂制备而成。

一种氮掺杂非金属催化剂的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将纳米二氧化硅浸泡于含氨基的硅烷偶联剂的醇类或酮类溶液中，通过表面接枝使其表面带有正电荷，然后干燥、研磨，并分散于水中；

步骤2：将氧化石墨烯分散液与纳米二氧化硅分散液混合、加热并搅拌均匀；