[发明专利]一种α或γ-Fe改性Fe-N-C材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种α或γ‑Fe改性Fe‑N‑C材料的制备方法及应用，包括合成Fe‑ZIF‑8‑x的前体；通过水热法用Fesupgt;3+/supgt;取代类沸石结构中的部分Znsupgt;2+/supgt;来获得Fe‑ZIF‑8‑x，以实现均匀的Fe掺杂；然后通过热解和酸洗步骤将ZIFs转化为Fe‑N‑C‑x催化剂；得益于FeNsubgt;x/subgt;和α/γ‑Fe物种的协同作用，所制备的Fe‑N‑C‑2在40分钟内表现出98.7％的最高污染物去除效率，计算的反应速率常数几乎是其他Fe‑N‑C‑x催化剂的2.07‑8.32倍。此外，Fe‑N‑C‑2在3.0～9.0的宽pH范围内表现出高活性，对阴离子和天然有机物具有优异的抗干扰能力，在实际废水处理中具有良好的前景。这些结果不仅突出了FeNsubgt;x/subgt;和α/γ‑Fe之间重要的协同作用，而且推动了高性能Fe‑N‑C材料的精细设计，并为环境应用中的非自由基机理提供了理解。

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体为一种α或γ-Fe改性Fe-N-C材料的制备方法及应用。

背景技术

高级氧化工艺(AOPs)可以在短时间内产生强氧化自由基，被认为是深度处理废水中难降解有机污染物最有前途的技术之一。根据AOPs中氧化剂的不同，可以分为芬顿反应、臭氧催化和过硫酸盐活化三类。在这些方法中，芬顿反应是通过使用亚铁离子和过氧化物的组合产生羟基自由基(·OH)的经典方法，到目前为止，为了加速Fe²⁺/Fe³⁺的循环和提高催化效率，已经广泛构建了各种纳米材料。除此之外，臭氧还被用作氧化剂，与多相催化剂反应，以环保的工艺生产反应性物质，然而，气态臭氧与催化剂的界面接触不足通常会抑制反应的发生，这仍然是一个巨大的挑战。相比之下，固体过硫酸盐可以表示为过氧一硫酸盐(PMS)和过氧二硫酸盐(PDS)，具有很好的稳定性和溶解性，易于储存和运输，因此过硫酸盐活化被认为是一种有前景的污染净化方法。令人兴奋的是，与普通自由基相比，具有更强氧化能力(2.5-3.1V)、更长存在时间(30-40μs)和更好pH适应性(2.0-12.0)的硫酸盐自由基(SO₄^·-)可以随着PMS/PDS的同裂解或异裂解而快速生成，然而自由基的产率仍然不足，化学活化被认为是促进自由基产生的有效方法。为了平衡更好的活化性能和更少的金属离子泄漏之间的权衡关系，人们广泛研究了具有不同尺寸、结构和组分的各种金属基多相催化剂的制备，但实际应用仍无法实现。近年来，碳催化激发了人们对过硫酸盐活化的极大兴趣，因为碳材料具有低成本、高地球丰度、多功能电子结构和高比表面积的优点，此外，它可以避免严重的金属离子泄漏，同时表现出可观的过硫酸盐活化性能。据报道，B、N、P和S等非金属杂原子的修饰能够破坏碳的化学惰性，调整电子和自旋培养物，并为sp²杂化碳网络创造丰富的活性位点，这激发了许多研究，以获得用于可持续消毒和水修复过程的高活性碳催化剂。然而，碳骨架尚未完全激活，碳基催化剂的催化性能还有很大的提升空间，未来需要深入探索。