[发明专利]一种低配位单原子钴催化剂及其合成方法与应用

说明书

本发明属于废水处理技术领域，公开了一种低配位单原子钴催化剂及其合成方法与应用，该方法包括以下步骤：(1)以柠檬酸盐等富氧含碳有机物为碳源，在保护气氛下碳化制得碳载体；(2)将所述碳载体与葡萄糖、可溶性钴盐分散溶解在去离子水中，分离沉淀，去离子水洗涤后干燥，得到复合碳载体；(3)将所述复合碳载体与三聚氰胺混合后进行热处理制得低配位单原子钴催化剂。本发明提供的低配位单原子钴催化剂及其合成方法便捷高效，制得的催化剂结构可控，显著地提高了对过硫酸盐的活化效率，且受自然水体中常见离子影响较小，稳定性良好。

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种低配位单原子钴催化剂及其合成方法与应用。

背景技术

随着社会与科学技术的快速发展，新型污染物及其降解代谢物等在水环境中广泛分布，其造成的水污染日益威胁着人类和水生生物的安全。高级氧化技术(AOPs)可将难降解的新型有机污染物降解成低毒或者无毒的小分子有机物，甚至被完全氧化为水和二氧化碳。其中，基于过硫酸盐的高级氧化技术(SR-AOPs)可以有效去除水中各种类型难降解的新型污染物，如内分泌干扰物、药物及其代谢物、蓝藻毒素和全氟化合物等。

单原子催化剂(SACs)是指单个原子均匀分布于载体之上形成的一种新型非均相催化剂。与传统金属基催化剂相比，单原子催化剂能够实现金属原子接近100％的利用率，兼具均相催化剂均匀单一的活性中心与非均相催化剂结构稳定易分离的特点，极大地减少金属使用量。在量子尺寸效应和强金属-载体关联性的双重作用下，金属单原子呈现独特电子结构和电荷状态，非常有利于催化反应的进行。

研究表明，某些单原子催化剂可有效活化过硫酸盐产生活性氧物种降解水中有机污染物，但普遍存在制备方法复杂、活化效率低下的问题，降解效果也易受自然水体中常见离子影响，并不具备实际应用意义；申请号为202111486082.1的专利报道了一种铜单原子催化剂及其制备方法和应用，所制备的催化剂在紫外光条件下催化活化过硫酸钠可降解94％低浓度四环素，但其能耗大且仅适用于低浓度条件；申请号为202011320382.8的专利公开了一种利用氮掺杂多孔碳锚定的单原子钴催化剂活化过硫酸盐降解水体中有机污染物的方法，该催化剂能活化过硫酸盐在60分钟内降解苯酚等多种有机污染物，但其降解速率较慢，不利于实际应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种低配位单原子钴催化剂及其合成方法，通过调控单原子催化剂中金属原子与氮配位结构制备得低配位单原子钴催化剂，可进一步提高降解污染物效率，以解决上述问题。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种低配位单原子钴催化剂的合成方法，包括以下步骤：

(1)以富氧含碳有机物为碳源，在保护气氛下碳化制得碳载体；其中，所述富氧含碳有机物可为柠檬酸盐、柠檬酸酯以及碳水化合物等；

(2)将所述碳载体与葡萄糖、可溶性钴盐分散溶解在去离子水中，分离沉淀，去离子水洗涤后干燥，得到复合碳载体；

所述分散溶解可以采用超声处理的方法进行，超声处理时间在20-60min；

(3)将所述复合碳载体与三聚氰胺混合后在保护气氛下进行热处理，制得所述低配位单原子钴催化剂。

作为本发明优选的所述方式，所述碳化的条件为以不大于10℃/min的升温速率升温至800℃并保温1-2h。

作为本发明优选的所述方式，步骤(2)中所述碳载体与所述葡萄糖的质量比例为100：10：1。

作为本发明优选的所述方式，步骤(3)中所述复合碳载体与所述三聚氰胺的质量比例为1：(5-10)。

作为本发明优选的所述方式，所述热处理的条件为以不大于10℃/min的升温速率升温至900℃并保温2-4h。