[发明专利]单原子钴负载管状氮化碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种单原子钴负载管状氮化碳催化剂及其制备方法和应用，其制备方法包括：将三聚氰胺和/或双氰胺与水混合，制成混合溶液；将混合溶液进行水热反应，得到超分子前驱体；将超分子前驱体与乙酸钴的乙醇溶液混合，制成负载乙酸钴的超分子前驱体并进行煅烧，得到单原子钴负载管状氮化碳催化剂。本发明方法制得的原子钴负载管状氮化碳催化剂具有比表面积高、反应活性位点多、催化性能好、金属原子利用率高等优点，能够广泛用于活化过硫酸盐以降解有机污染物，降解效果好，有着很好的应用价值和应用前景；与此同时，本发明制备方法还具有工艺简单、操作方便、原材料易得、成本低廉，容易实现工业化生产，在环境催化领域有较大的应用前景。

技术领域

本发明属于材料制备及环境催化的技术领域，涉及一种单原子钴负载管状氮化碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

抗生素被广泛应用于各种药品和个人护理产品中，由于人体和动物对抗生素代谢率极低，因此部分抗生素会无变化地直接排出体外，且全世界各范围内在地表水、地下水和污水处理厂中均检查出超标过量的抗生素。目前，处理抗生素废水的技术主要有生物技术、物化技术和高级氧化技术。传统的“混凝沉淀--过滤—消毒”的水处理工艺无法有效的去除抗生素，因此，发展高效的抗生素污染物降解技术势在必行。高级氧化技术作为目前去除废水中有机物最有效、最环保的技术，其在降解水中抗生素的研究中占有重要地位，而在各种高级氧化技术中，基于过硫酸盐的氧化技术具有氧化剂稳定性好、pH适应范围广、抗干扰性能力强的优点得到研究者的广泛关注。

目前，常用的过硫酸盐活化手段有热活化、超声活化、光活化和过渡金属活化等。其中，热活化、超声活化、光活化这三种方式耗能大，活化效率低，而过渡金属基的活化材料因其不需要外部能量的输入，活化效率高，反应条件温和等展现出巨大的发展前景。然而，过渡金属基的活化材料在使用过程中常常存在着金属浸出的问题，容易对水体产生二次污染，且运行的成本较高、反应速率较慢。单原子催化剂是一类仅含有相对孤立的单个金属原子作为催化活性中心的负载型催化剂，由于其特殊的构型，其在高级氧化反应中呈现出超高的催化活性、选择性及原子利用率。近年来，石墨相氮化碳(g-C₃N₄)被认为是单原子负载的的理想性载体之一，其独特的结构可以被认为是一种延申的配体并与金属单原子配位，从而模拟均相金属催化剂的配位环境。尽管如此，现在制备钴单原子负载氮化碳仍存在以下问题：(1)现有的制备方法制备流程较复杂、成本高；(2)现有的钴单原子负载氮化碳的材料金属负载量低，金属容易团聚，在无光条件下活化过硫酸盐催化活性不高，且循环稳定性差；(3)现有的钴单原子负载氮化碳的材料比表面积低、活化位点少、催化效率低，上述这些问题的存在限定了钴单原子负载氮化碳的广泛应用。因此，如何克服上述现有技术中存在的不足，开发最大金属原子效率的钴单原子负载氮化碳催化剂应用于无光条件下过硫酸盐活化具有良好的发展前景，获得具有高金属负载量、高催化活性、良好稳定性、高比面积的单原子负载氮化碳催化剂，对于高效利用过硫酸盐降解水体中的抗生素具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种比表面积高、反应活性位点多、单原子金属负载量高、反应速率快、稳定性好、能够高效活化过硫酸盐的单原子钴负载管状氮化碳催化剂，并相应提供一种工艺简单、操作方便、成本低廉、制备效率高、产率高的单原子钴负载管状氮化碳催化剂的制备方法，同时还提供一种上述单原子钴负载管状氮化碳催化剂在处理抗生素废水中的应用。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种单原子钴负载管状氮化碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：

S1、将三聚氰胺和/或双氰胺与水混合，搅拌，得到混合溶液；

S2、将步骤S1中制得的混合溶液进行水热反应，得到超分子前驱体；

S3、将步骤S2中制得的超分子前驱体与乙酸钴的乙醇溶液混合，搅拌，过滤，洗涤，干燥，得到负载乙酸钴的超分子前驱体；