[发明专利]一种Fe@3D-CNs复合催化材料及其制备方法

说明书

本发明属于化学及环境技术领域，涉及一种Fe@3D‑CNs复合催化材料及其制备方法，所述复合催化材料是以海藻酸钠SA为模板，以Fe³⁺或Fe²⁺为交联剂，形成Fe³⁺@SA水凝胶，或Fe²⁺@SA水凝胶，经过高温煅烧制备获得。本发明的制备方法成功合成了具有高级氧化催化活性的催化剂，降解性能高效稳定，且很好地实现了废物资源化利用；使用的海藻酸钠模板具有环境友好性，材料易得，价格低廉，且制备方法简单可行，在实际生产应用中具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于化学及环境技术领域，涉及一种用于高级氧化工艺(AOP)中的纳米铁@三维立体纳米碳(Fe@3D-CNs)复合催化材料及其制备方法，

背景技术

高级氧化工艺(AOPs)是一种利用活性材料的高氧化能力来实现分解难降解有机物的技术。氧化剂过氧单硫酸盐(PMS)和过硫酸盐(PS)可以通过热处理、紫外线照射、超声波或过渡金属处理来活化生成SO₄^-·。选择过渡金属来激活过硫酸盐(PS)的优点是它不需要外部能量，是一种经济实用的方法。亚铁离子是最常用于激活PS的金属离子，因为它毒性低，易于处理。然而，其缺点是需要优化加入反应中的铁量并且pH范围必须严格控制。而采用含铁材料代替可溶性Fe²⁺，可以很好克服上述限制。已有研究表明，用纳米碳材料(CNs)负载纳米铁(Fe@CNs)用于高级氧化工艺来去除有机污染物的效果良好，这是由于纳米碳不仅可以通过化学键作用力保障纳米Fe的稳定性、反应活性和可重复使用性，而且纳米碳本身对有机污染物有一定的吸附能力，纳米碳和纳米铁之间还有很好的协同催化作用，可以产生更好的催化降解效果。

现有技术中，制备Fe@CNs的过程通常比较复杂，容易造成活性组分的不均匀分布，活性组分有可能在反应过程中流失，进而影响催化活性，如：气相法制得的产品纯度高，步骤繁琐，成本高昂；液相法容易实现对产物形貌、组成、大小的调控，需要加入大量的化学助剂，成本高的同时也与“绿色化学”的概念相悖；固相法合成的产物形貌和大小往往不可控，高温条件下纳米颗粒易烧结团聚。这些都成为制约Fe@CNs实际应用的重要因素。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种纳米铁@三维立体纳米碳(Fe@3D-CNs)复合催化材料及其制备方法，本发明提供的复合催化材料为一种高级氧化催化材料，以海藻酸钠(SA)为模板，以Fe³⁺或Fe²⁺为交联剂，形成Fe³⁺@SA水凝胶或Fe²⁺@SA水凝胶，然后经过高温煅烧制备获得；该复合催化材料利用水凝胶网络实现纳米Fe的分散和固定，在N₂保护下完成Fe@3D-CNs复合催化材料的一体化同步制备。该复合催化材料具有一定的吸附作用和高效的催化性能，能够高级氧化工艺(AOPs)中用于活化过硫酸盐产生自由基从而有效降解水体中的有机污染物，达到治理污染与天然资源有效利用的双重作用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种Fe@3D-CNs复合催化材料的制备方法，以海藻酸钠为模板，以Fe³⁺或Fe²⁺为交联剂，形成Fe³⁺@SA水凝胶，或Fe²⁺@SA水凝胶，然后进行高温煅烧制备获得Fe@3D-CNs复合催化材料；

在所述Fe@3D-CNs复合催化材料的制备过程中，采用海藻酸钠水凝胶的网络结构实现纳米Fe的分散和固定，在Fe存在下，海藻酸钠水凝胶自身经高温煅烧后，形成三维立体网状结构的纳米碳骨架，实现Fe@3D-CNs复合催化材料的一体化同步制备。

进一步地，所述方法包括：

制备海藻酸钠水凝胶液：将一定量海藻酸钠粉末与去离子水混合，加热搅拌，得到海藻酸钠凝胶液；