[发明专利]一种限域型高分散金属·碳壳过硫酸盐催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种限域型高分散金属•碳壳过硫酸盐催化剂及其制备方法和应用，金属活性位点以高分散态限域在碳壳内部。本发明还公开了该催化剂的制备方法，以不同粒径表面嫁接官能团的二氧化硅纳米微球S为牺牲模板，无机金属盐M为前驱体通过静电作用或络合作用均匀分散在二氧化硅纳米球表面，通过水热包碳壳、高温碳化聚合、碱洗去模板，制备的催化剂活化过硫酸盐产生强氧化性的活性氧，对多种有机污染物具有高的氧化去除率。本发明还公开了催化剂在催化过硫酸盐氧化降解有机污染物中的应用，能使有机污染物氧化降解为小分子化合物或者矿化成COsubgt;2/subgt;和Hsubgt;2/subgt;O。

技术领域

本发明涉及一种限域型高分散金属•碳壳（HDM@C）催化剂及其制备方法和应用，具体包括一种活化过硫酸盐的催化剂及其制备方法，以及该催化剂在液相氧化降解有机污染物的应用。

背景技术

随着社会的快速发展，大量有机污染物如药物、染料等排放到环境中，而传统的污水处理技术对水中低浓度、高稳定性的有机污染物的去除能力有限。近年来，以硫酸根自由基（SO₄^·-）为基础的新兴高级氧化工艺在有机污染物去除方面优于传统Fenton反应的优势，受到越来越多的关注。如过硫酸盐为固体氧化剂，在常温常压下稳定便于运输和储存；其产生的SO₄^·-比·OH具有更强的氧化性（SO₄^·-的氧化还原电位为2.5~3.1 V，·OH的氧化还原电位为1.8~2.7 V），更高的选择性，且具有更长的半衰期（SO₄^·-半衰期为30~40 μs，·OH半衰期为10-3 μs）；在较宽的pH（2-11）条件下，仍具有较高的降解活性。

过渡金属催化剂在过硫酸盐活化中具有潜在的应用价值，如铁基、钴基、锰基、铜基。目前，大多数研究集中在金属基非均相催化剂和负载型过渡金属催化剂的制备和设计上，而暴露的金属纳米粒子在反应过程中容易脱落，存在金属离子泄漏的风险。为了克服这个问题，载体内含有金属颗粒的限域型催化剂受到了极大的关注，例如Fe-S@SNC、Fe@SBA-15、CoP@MOF-2-C，通常具有高比表面积和高化学稳定性的碳材料已被广泛用作限域型催化剂壳层。

通常金属位点是以颗粒态包覆于碳层内部，导致金属活性位点利用不充分，阻碍反应物与催化活性位点的接触，进而影响催化反应的效率。因此，开发具有活性位高度分散限域型金属催化剂，是抑制金属元素流失和提高金属活性位利用率的关键。

发明内容

为了克服现有技术中的缺点，本发明的目的是提供一种限域型高分散金属•碳壳（HDM@C）催化剂以及制备该催化剂的方法。

本发明的另一个目的是提供一种限域型高分散金属•碳壳（HDM@C）催化剂在高效活化过硫酸盐降解有机污染物中的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种限域型高分散金属•碳壳（HDM@C）催化剂，以表面嫁接特定官能团的二氧化硅为牺牲模板，无机金属盐M为前驱体通过静电作用或络合作用均匀分散在二氧化硅纳米球表面，通过水热包碳壳、高温碳化聚合、碱洗去模板，得到在碳壳空间内部形成限域型高分散HDM@C催化剂，金属组分以单原子或者高分散态限域在碳壳内。催化剂的比表面积为80-800 m²/g，二氧化硅纳米球的粒径为50-500 nm，金属元素含量为0.1-0.5 at.%。

金属组分限域量及分散度与二氧化硅表面嫁接官能团的种类和含量、及无机金属盐溶液浓度密切相关，通过调节二氧化硅表面嫁接官能团及金属盐溶液浓度，调节金属元素的含量。

其中，二氧化硅表面嫁接官能团的种类可以为氨基（-NH₂）或巯基（-SH）。