[发明专利]一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法及其应用。通过将具有活化过硫酸盐性质的催化剂与滤膜结合，实现抗污染、自清洁的功能，具体步骤为：将正电接枝后的纳米二氧化硅分散于水中，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；将混合液与一定量的氨水混合，在高压、高温、匀速搅拌的条件下反应；通过涂覆、抽滤、化学接枝、共混掺杂、静电纺丝或水热一步合成工艺制备成一种能够高效催化过硫酸盐的催化膜。本发明制备的催化膜可以有效活化过硫酸盐，降低膜表面污染的附着，且催化膜制备过程简单，反应条件温度，具有一定的经济可行性。

技术领域

本发明涉及催化膜制备领域，特别涉及一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法及其应用。

背景技术

由于近年来工业废水的排放量呈明显上升趋势，其中难降解有机物由于其持久性、高毒性和顽固性，传统的物化和生化处理技术难以满足要求，所以需要利用较为新型高效的降解处理来实现水资源的净化回收。过硫酸盐高级氧化技术因其较强的氧化性能和较快的处理时间而成为最近研究的热点。通过紫外光、加热、金属催化过硫酸盐，产生具有高氧化还原电位的硫酸根自由基或氧化基团，可以有效降解有机污染物，净化水质。

将过硫酸盐催化剂与滤膜结合可以扩展其在工业生产中的应用，常见的过硫酸盐催化剂是金属、过渡金属催化剂，虽然其催化性能较高，但是存在制备过程复杂，能耗高，金属浸出等问题。发明CN111450829A公开了一种催化过硫酸盐的氧化铜纳米催化膜及其制备方法，催化活性较高，但是使用铜基催化剂仍然存在二次污染的问题，需要高温煅烧，使用铝膜作为基底，制备成本较高。非金属催化剂中碳材料具有与金属材料类似的催化效果，同时其对环境几乎没有影响。发明CN11733486A公开了一种催化过硫酸盐的碳纤维薄膜及其制备方法，制备采用静电纺丝的方法，在近千度的高温碳化及高温退火的条件下完成，制备条件要求较高，工艺较为复杂，成本较高，很难工业化应用。

由于氧化石墨烯及其衍生物的结构可调性以及电子传输性能，使其可以作为一种高效的过硫酸盐催化剂。Pedrosa等人通过共价交联制备含有将氮掺杂的氧化石墨烯溶液，将其抽滤至PTFE滤膜上制备了具有催化过硫酸盐的催化膜，主要的活化基团为吡啶氮基团，形成的催化膜为片层结构，反应过程中活性位点不容易暴露，影响催化活性。

相对于传统的粉末状催化剂，具有一定结构的膜体系可以形成特定的限域空间，加强了传质效率和活化作用。将纳米二氧化硅负载在石墨烯片层上形成微纳结构，使得催化膜具有更大的比较面积和粗糙度，降低表面能，减缓膜污染速度。在净化的过程中，过硫酸盐的加入可以在膜表面以及内部实现催化活化，产生具有高氧化活性的自由基以及非自由基，可以将污染物降解为中间产物甚至直接矿化。经过有效的膜面清洗可以实现滤膜的循环使用以及高效净化作用。

发明内容

针对现有催化膜中存在的不足，本发明的目的是提供一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法以及应用，利用氮掺杂石墨烯-纳米二氧化硅催化剂制备复合催化膜，实现抗污染、自清洁的功能。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种氮掺杂石墨烯催化膜，其由基膜和氮掺杂石墨烯-纳米二氧化硅催化剂复合制备而成。

一种氮掺杂石墨烯催化膜的制备方法，其特征在于，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；

步骤3：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，即得氮掺杂石墨烯-纳米二氧化硅催化剂；