[发明专利]一种氮硫双掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮硫双掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法，涉及碳催化制备技术领域。本发明的一种氮硫双掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法，所述多孔碳材料包括质量比为1％～50％的氮硫源和碳源，所述碳源为葡萄糖，所述氮硫源为半胱氨酸，通过水热法和高温碱活化法制备得到非金属氮硫双掺杂多孔碳材料，其中氮和硫的共掺杂不仅保证了催化剂的催化稳定性，且二者之间的协同作用促进了抗生素有机污染物的吸附和催化降解，比单一元素掺杂的碳材料催化性能好。制备上述催化剂所需原料绿色无污染，易于购买，且成本低，制备过程简单，易于大规模生产，可用于环境有机污染水体处理，饮用水深度净化处理等领域。

技术领域

本发明涉及碳催化制备技术领域，更具体地说是一种氮硫双掺杂多孔碳材料催化剂及其制备方法。

背景技术

药物及个人护理品(简称PPCPs)主要包括药物(抗生素、激素等)和个人护理品(抗菌剂、消毒剂和防腐剂等)。大多数PPCPs具有水溶性，结构复杂，低浓度即能抑制或影响生物体的机能，属于持久性难降解有机物。由于PPCPs属于难降解有机物，用传统的物理方法(如吸附、沉降等)和生物法(如活性污泥法)很难彻底去除，在环境中持久存在不仅会导致微生物多样性降低，还会给人类健康及其他动植物带来一定的生态风险。因此，PPCPs污染问题已逐渐成为全球关注的重点。

通过制备非金属掺杂碳催化剂来活化过硫酸盐，其活化大致过程是通过高温焙烧的方法把过渡金属来负载到无机载体上，这类碳基负载型催化剂具有较高的活性，由于活性炭、生物炭的比表面积大、易负载其他分子的原因常被作为无机物载体；同时，碳基材料的孔隙结构也很丰富，表面的含氧官能团也比较多，这就使得它既可以吸附有机污染物，也能通过活化过硫酸盐来降解污染物，如果对碳基材料进行一定程度的改性，例如可以将氮元素掺杂进去，就可以大大提高它的催化能力。碳材料本身也可作为一种能替代过渡金属氧化物的无机催化剂，是一种环境友好的材料，例如活性炭、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯、有序介孔碳和一些掺杂碳材料等，在催化活化剂或吸附污染物后碳材料表面的含氧官能团及结构变化微小，展现出优异的稳定性，可重复使用，但材料本身可能成本较高。碳基材料对过硫酸盐的活化主要是通过碳基材料和过硫酸盐之间的电子传递来完成，氧化还原电位在这个过程中起重要作用，当然也会受到碳材料的结构和组成等因素的影响。

对此，Li等人通过不同的活化剂(ZnCl₂、KOH、CO₂)制备了氮和硫共掺杂石墨烯(N,S-G)，用于活化过硫酸盐降解苯酚，KOH活化制备的N,S-G表现出优异性能，其活化能为24.65kJ/mol(Li X,Wang J,Duan X,et al.Fine-Tuning Radical/Nonradical Pathwayson Graphene by Porous Engineering and Doping Strategies[J].ACS Catalysis,2021:4848-4861)。Ding等人以稻草为前驱体制备了单一掺杂(NBC、SBC)和双掺杂(NSBC)碳材料，用以吸附和催化降解异丙甲草胺，而NSBC并没有最佳性能，其比表面积仅为109.2m²/g(Dahu Ding,Shengjiong Yang,Xiaoyong Qian,Liwei Chen,Tianming Cai.Nitrogen-doping positively whilst sulfur-doping negatively affect the catalyticactivity of biochar for the degradation of organic contaminant[J].AppliedCatalysis B:Environmental,2020,263)。