[发明专利]一种钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料及其制备和应用

说明书

本发明公开了一种钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料及其制备和应用。制备的具体步骤为：以一定比例的碳源和氮源双氰胺以及钴盐为原料，以尿素作为碱源调节溶液至碱性，以聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂在超声反应仪中充分混合反应并加热至干燥，得到的混合物经碳化、酸洗、水洗，获得以氧化钴封装于掺氮碳纳米管中的材料。该材料结构新颖，原料简单易得，工序简单，反应过程清洁，无二次污染。应用于水体中苯酚的降解去除，方法简单，去除效果好，处理浓度为0.1mmol/L的苯酚，20分钟内对苯酚的去除率均可达到99％以上。

技术领域

本发明涉及异相催化活化过硫酸盐的催化材料制备技术的领域，具体涉及一种钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料及其制备方法和其在催化降解苯酚方面的应用。

背景技术

基于硫酸根自由基的高级氧化技术是目前深度处理难降解有机污染物的一种非常重要方法，在水处理领域有广泛的应用前景。硫酸根自由基可以通过光、微波、加热、过渡金属离子催化等方式活化过硫酸盐产生，但光活化和微波活化对设备和技术要求严苛，热活化过硫酸盐技术能耗高，过渡金属离子催化存在二次污染、分离难、重复利用性差等问题。而异相催化活化过硫酸盐具有设备要求低、能耗低、可重复使用、活性高、催化效果好等优势，而被广泛研究应用。

异相催化活化过硫酸盐常用的催化材料包括金属氧化物(如氧化钴、氧化铜、氧化锰)、碳材料(如碳纳米管、石墨烯、介孔碳)，以及它们的复合材料。但是金属氧化物在应用过程中由于粒子间存在强吸引力和固有的磁相互作用，会发生颗粒团聚和高沉积，严重影响催化活性。此外，在活化过程中容易发生金属浸出，特别是在酸性条件下。碳材料可以避免金属浸出产生的二次污染，但是往往由于缺少活性官能团而需要进一步化学改性或功能化,且合成过程复杂、成本高，严格限制了这些催化材料在活化过硫酸盐降解有机污染物的应用。

因此，开发新型的环境友好、催化效率高、合成方法简单、低成本的催化剂是目前高级氧化处理技术的重点发展方向。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题。本发明的目的在于提供一种简单的原位氮掺杂方法用于钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备和应用。本发明制备方法简单、制备周期短、清洁、重复性好。制备的钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料无二次污染，稳定性好，具有磁性(钴氧化物被CNT包裹，其中钴氧化物具有磁性)，易于固液分离，降解苯酚效果好，可重复利用，应用简单，使用方便。

本发明的目的是通过以下方式实现的。

一种钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，包括如下步骤：将碳源、氮源、钴盐、表面活性剂和尿素混合经超声反应仪反应后，再经过碳化、酸洗、水洗、醇洗、烘干后，获得钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料，表面活性剂包括聚乙烯吡咯烷酮和十六烷基三甲基溴化铵中的一种，优选聚乙烯吡咯烷酮。

表面活性剂，沉积金属氧化物，使钴氧化物纳米颗粒更小，阻止金属氧化物颗粒团聚、尿素是一种弱碱，可调节溶液碱性，使钴盐水解，生成氧化钴的前驱体(氢氧化钴)，此外尿素含氮，可提供氮源。

所述的钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，所用的碳源和氮源均来自于双氰胺。

选择双氰胺作为含氮的碳前驱体，可实现氮元素在碳材料中的均匀分布，提高钴氧化物和碳材料之间的化学键结合力，且双氰胺也能起到部分表面活性剂的作用。

所述的钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，钴盐包括氯化钴、硝酸钴、醋酸钴中的一种或几种。

所述的钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，双氰胺与钴的摩尔比：1:(0.05～0.2)。

所述的钴氧化物/氮共掺杂碳纳米管复合材料的制备方法，所采用的双氰胺、表面活性剂和尿素投加的质量比为：1:(0.1～0.2):(0.5～1)；反应体系中双氰胺的物质的量浓度为0.036～0.045mol/L。