[发明专利]一种氮掺杂零价铁纳米材料及制备方法与应用

说明书

本发明涉及氮掺杂零价铁纳米材料的制备及其对地下水中典型污染物三氯乙烯的高效选择性降解，属于材料工程与环境工程领域。该方法以明胶、醋酸亚铁分别为氮源、铁源，通过溶解、混合、搅拌、烘干、研磨、高温烧制的方式合成氮掺杂零价铁纳米材料。研究表明，该材料具有晶相的零价铁和氮化铁，且铁、氮、氧三种元素在材料中均匀分布；相对于纳米零价铁(nZVI)，该材料降解三氯乙烯的速率提升13‑238倍，一级反应动力学常数最高值为7.1/h，均高于现有文献中铁基纳米材料对三氯乙烯的降解速率；该材料具有优良的还原脱氯性能和电子选择性，电子效率可达95％。可以较低剂量(3g/L)高效降解地下水中的三氯乙烯。因此本发明可用于有机氯污染地下水环境修复。

技术领域

本发明涉及材料工程与环境工程技术领域，尤其涉及一种氮掺杂零价铁纳米材料及制备方法与应用。

背景技术

三氯乙烯(TCE)是地下水环境中典型的有机卤代污染物，其生物毒性强且化学性质稳定，在地下环境中具有较强的迁移能力，易对地下水造成持久性污染。对于TCE污染地下水环境的修复，最为常见且成本较低的方式为原位修复技术，具体包括化学氧化、化学还原、电化学、植物修复、微生物还原脱氯法等。对于控制TCE造成的环境风险，最为直接且关键的过程即还原脱氯，将TCE降解转化为不含氯的气体产物。近年来，随着纳米技术的不断发展，其在环境领域的应用受到学者们的广泛关注。其中，纳米零价铁(nZVI)因其具有比表面积大、毒性小、可回收、成本低等优点，现被广泛地用于去除、降解地下水中各类污染物且已有场地修复实例。但单纯地使用nZVI对地下环境修复所需时间较长，且在修复的过程中nZVI会与水反应产生氢气，电子效率低下(5％)。

近年来，使用杂原子(包括S、N、P等)掺杂改性铁基材料因能影响Fe原子核外价电子的分布情况，展现出许多优良特性，如更强的导电性、更优的催化性能与还原性能[K.Hu,et al.ACS Appl.Mater.Inter.8(2016)19379-19385；F.Yu,et al.ACS Catal.7(2017)2052-2057；M.Li,et al.Appl.Catal.B 263(2020)118364.]。明胶作为一种天然物质，来源广泛，价格低廉，是一种良好的氮源。因此在本专利中以明胶作为氮源，合成了一种针对TCE脱氯具备较快反应活性和电子选择性的氮掺杂零价铁纳米材料，该材料具有晶体形态的零价铁和氮化铁，利用表面形成的疏水性结构，较大程度地抑制了与水的反应，实现了对TCE的高效降解，电子效率最高可达95％。较低的剂量与较短的修复时间也体现了该材料的潜在应用价值。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种氮掺杂零价铁纳米材料及制备方法与应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供了一种氮掺杂零价铁纳米材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：取1.0–3.0g明胶溶解在100mL的100℃的去离子水中，磁力搅拌10-30min，形成均质溶液并冷却至室温；

步骤二：取1.0g醋酸亚铁溶于10mL去离子水中，超声分散后形成均质溶液；

步骤三：取5.0g步骤一制备得到的均质溶液并磁力搅拌，磁力搅拌过程中分多次加入步骤二制备得到的均质溶液，每次加入0.05-0.13g，总共加入6.0g，得到材料前驱体；

步骤四：将步骤三制备得到的材料前驱体在100-110℃条件下干燥处理12-18h，得到干燥固体；

步骤五：将步骤四得到的干燥固体研磨至粒径小于0.048mm，得到粉末；

步骤六：将步骤五得到的粉末通入氮气0.5-1.0h后进行加热，以1-5℃/min的升温速率升温至600-700℃，并在该温度条件下反应1-5h；

步骤七：随后冷却至室温，得到氮掺杂零价铁纳米材料。