[发明专利]一种硫氮共配位铁单原子催化剂及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种硫氮共配位铁单原子催化剂及其制备方法与应用。本发明以乙酰丙酮铁为金属源，通过自组装的方式，在合成金属有机骨架前驱体的同时，将铁限域于前驱体的腔体结构中，而后将硫粉与前驱体均匀混合，经过预处理后高温热解及酸洗得到。制备的硫氮共配位铁单原子催化剂具有均匀的单原子位点，表现出优良的过硫酸盐催化活性，可应用于有机污染废水处理。

技术领域

本发明涉及环境催化材料技术领域，尤其涉及一种硫氮共配位铁单原子催化剂及其制备方法与应用。

背景技术

随着人类社会的不断发展，人们对赖以生存的各种必须物质的质量及数量需求不断提高，由此产生的大量难以自然降解且具有生物毒性的有机污染废水，对人体健康和生态环境造成严重威胁，因此迫切需要发展高效绿色的有机污染废水处理技术。

基于过硫酸盐活化的高级氧化技术(均相或非均相)适用范围广、抗干扰能力强、处理效率高，且所利用的氧化剂过硫酸盐性质稳定、易储存，因而在难降解有机污染的处理中具有前景。传统催化过程利用金属离子作为催化剂，能快速催化降解有机污染物，但投加的金属离子在催化反应之后无法回收利用，且进入水体易造成二次污染。为解决上述问题，非均相催化剂被开发用于过硫酸盐活化，其活性金属成分由于受自身晶体共价键或载体空间的限制，在催化过程中的溶出量低，且在反应后易于回收利用，但过硫酸盐利用效率较低而表现出低的有机污染处理效率。因此，构建高催化效率且绿色的非均相过硫酸盐催化剂成为过硫酸盐技术发展的重要方向。

单原子催化剂(SAC)符合绿色、稳定和高效发展理念，具有100％的原子利用效率并表现出超低的Co溶出。然而，单原子催化剂的催化效率与金属原子的载量密切相关，由于受金属原子高表面能的限制，前驱体在热解的过程中相邻金属原子之间容易相互团聚从而形成金属团簇或纳米颗粒，这减少了生成单原子位点的活性中心的数目，使得金属原子的利用效率下降。而单一的配位如金属-氮配位结构通常由于氮原子的高电负性而不利于过硫酸盐的吸附及氧化。因此，调控单原子催化剂的结构获得高稳定性和催化活性的特性仍然充满挑战。

发明内容

本发明旨在提供一种硫氮共配位铁单原子催化剂及其制备方法与应用。本发明的制备方法通过简便有效的自组装方式合成前驱体，所制备的单原子催化剂在硫氮配位的共同作用下，虽然具有较低的金属原子载量，但仍表现出高稳定性及催化活性。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种硫氮共配位铁单原子催化剂

硫氮共配位铁单原子催化剂主要由碳骨架掺杂原子组成，掺杂原子为氮、硫和铁，铁原子与硫及氮配位后嵌合在碳骨架上。

硫氮共配位铁单原子催化剂中铁的质量分数为0.43～0.63wt％。

二、一种硫氮共配位铁单原子催化剂的制备方法

包括以下步骤：

步骤1)将乙酰丙酮铁与锌盐共同溶解于甲醇中获得金属盐溶液，将2-甲基咪唑溶解于甲醇中获得2-甲基咪唑溶液，而后将金属盐溶液与2-甲基咪唑溶液迅速混合并封闭置于恒温条件下充分反应，待反应完全后，将所得沉淀用甲醇洗涤并干燥获得金属有机骨架前驱体；

步骤2)将步骤1)所得的金属有机骨架前驱体与硫粉混合并加入溶剂，持续恒温搅拌至均匀混合后，在烘箱中干燥；

步骤3)在惰性气体的氛围中，将步骤2)所得干燥产物进行高温热解，将热解后产物进行酸洗干燥，得到硫氮共配位的铁单原子催化剂。

所述步骤1)中：锌盐为硝酸锌、氯化锌和硫酸锌中的一种；乙酰丙酮铁与锌盐的摩尔比为1:10；金属盐溶液与2-甲基咪唑溶液中所用甲醇的体积比为1:1；金属盐溶液中甲醇与锌盐的摩尔比为216.5:1～649.5:1。

所述步骤1)中：反应的温度为60℃，反应时间为24h；反应后甲醇洗涤三次及以上，干燥温度为60～80℃。