[发明专利]一种碳包覆铁酸锌催化剂的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种碳包覆铁酸锌催化剂及其制备方法与其在光催化苯羟基化制备苯酚和光催化臭氧氧化降解及矿化有机污染物中的应用。其是将铁前驱物与锌前驱物按比例溶解混合后加入葡萄糖，调节pH后经水热处理制得所述碳包覆铁酸锌催化剂。本发明制得的碳包覆铁酸锌纳米颗粒在催化苯羟基化反应中，既可以利用碳层对苯的吸附活化作用，提高反应活性，又可防止反应过程中金属的溶出，提高催化剂稳定性；而在光催化臭氧氧化降解及矿化有机污染物的过程中，表面碳包覆的铁酸锌提高了光生电子‑空穴分离效率，提高了臭氧利用率，加速了有机物的去除及矿化，解决了铁酸锌反应过程中金属溶出问题，可防止对环境二次污染，具有一定的工业化应用前景。

技术领域

本发明属于无机材料制备领域，具体涉及一种碳包覆铁酸锌催化剂及其制备方法与其在光催化苯羟基化制备苯酚和光催化臭氧氧化降解及矿化有机污染物中的应用。

背景技术

铁酸锌是一类具有可见光响应的无机半导体材料，其具有廉价易得、合成简单等优点，是常见的光催化剂。但其存在光生载流子分离效率低、稳定性差等缺点，这限制了其在光催化领域的应用。通过对铁酸锌纳米粒子表面进行碳包覆改性，可以有效提高铁酸锌光催化活性及其稳定性。

苯酚是一类重要的基础有机化工原料，广泛应用于化工行业。目前，酚类化合物的工业化生产仍以异丙苯法为主，其存在步骤繁多、产率偏低、原子利用率低、能耗高、污染严重等问题。以过氧化氢为氧化剂，将苯一步羟基化生成苯酚，具有步骤简单、绿色环保等优点，符合可持续发展的需求。

水体中有机污染物的有效去除是当今亟需解决的重要问题。传统的水处理工艺方法包括物理法、生物法和化学法，存在成本高、效率低、耗能高等问题。光催化氧化技术和臭氧氧化技术是两种近些年来新兴的废水处理技术。目前，光催化氧化技术因光生电子和空穴复合率高而受到一定限制，臭氧氧化技术也存在着氧化缓慢、耗电量大、工业运营成本高等问题。将二者联用使反应过程中活性物种产量大幅增加，对难降解有机污染物以及中间产物的深度降解具有很强协同效应，在节能、保护环境以及实现可持续发展等方面均有重大意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种碳包覆铁酸锌催化剂及其制备方法与其在光催化苯羟基化制备苯酚和光催化臭氧氧化降解及矿化有机污染物中的应用。该方法合成技术简单、易于操作，具有良好的产率、高选择性和循环稳定性，具有潜在的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个目的是保护一种碳包覆铁酸锌催化剂的制备方法，其包括以下步骤：

（1）在常温下，将一定量铁前驱物与锌前驱物溶于水中，待二者混合均匀后，加入一定量葡萄糖，搅拌均匀；

（2）用NaOH溶液调节步骤（1）所得溶液的pH，搅拌均匀；

（3）将步骤（2）所得溶液进行水热处理，再经洗涤、离心、真空烘干得到所述碳包覆铁酸锌催化剂。

进一步地，步骤（1）中所用铁前驱物与锌前驱物的摩尔比为2:1。所述铁前驱物为氯化铁、硝酸铁、硫酸铁中的任意一种，所述锌前驱物为氯化锌、硝酸锌、硫酸锌中的任意一种。

进一步地，步骤（1）中所用铁前驱物和葡萄糖的摩尔比为1-90:1。若葡萄糖用量太多，会在ZnFe₂O₄上形成太厚的碳层，阻碍表面催化反应的进行，显著抑制催化活性；而若葡萄糖用量太少了，不足以在ZnFe₂O₄表面形成一个完全覆盖的致密碳层，则无法对催化剂形成保护，达到抑制金属组分流失的目的。

进一步地，步骤（2）中将溶液pH调节至8-10。

进一步地，步骤（3）中所述水热处理的温度为150-200℃，时间为5-36 h。

本发明的第二个目的是保护上述方法制得的碳包覆铁酸锌催化剂，其表面包覆的碳层致密无孔。