[发明专利]一种镍、硫共掺杂纳米零价铁以及制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种镍、硫共掺杂纳米零价铁以及制备方法与应用，以氯化镍为镍源、以硫化钠或连二亚硫酸钠为硫源、以三氯化铁为铁源；通过简便的一步法，经过溶解、混合、搅拌、烘干、研磨的方式合成镍、硫共掺杂纳米零价铁材料。本发明制备得到的镍、硫共掺杂纳米零价铁材料的晶体结构保存完整，硫、镍共掺杂于纳米零价铁中，且镍几乎完全掺杂。镍、硫共掺杂纳米零价铁材料的硫含量和电子传递能力均有提升，具备优良疏水性，该材料能高效去除地下水有机污染物三氯乙烯，即最快5h可完全去除。本发明提出的合成方法简便易操作且材料性能提升显著，可为共掺杂铁基纳米材料提供新的设计思路，并应用于污染土壤和地下水修复。

技术领域

本发明属于功能纳米材料与技术领域，具体为一种镍、硫共掺杂纳米零价铁以及制备方法与应用。

背景技术

随着纳米材料技术的不断发展，使得其在环境功能材料领域受到了学者们的广泛关注。其中，纳米零价铁(nZVI)因其具有比表面积大、活性高、成本低、绿色环保易回收等优点，现已被广泛应用于地下水污染治理且已有场地修复实例。但单纯使用nZVI进行修复时，因nZVI易与水发生析氢副反应，而导致nZVI被大量消耗和钝化。

近年来，使用单一杂原子(包括S、N、P以及其它金属等)改性的零价铁基材料，因其能影响铁原子核外价电子的分布，展现出许多优良特性，如更强的导电性、疏水性，更优的催化性能[X.X.Zhang,et al.Environ.Sci.Technol.39(2016)60-65；M.Li,etal.Appl.Catal.B263(2020)118364；J.Xu,et al.Acc.Mater.Res.2(2021)420-431.]。近十年，硫掺杂改性制备的硫化纳米零价铁(SNZVI)，因其具备优异的疏水性以及对疏水性污染物高效的电子选择性，成为了地下水修复领域的功能纳米材料新研究热潮。但SNZVI的实际硫掺杂率较低(37％)，而镍作为一种常见的过渡金属，来源广泛，价格低廉；作为路易斯弱酸，可与路易斯弱碱(如硫)成键；作为亲铁元素，易与铁成键。因此在本专利中以氯化镍作为镍源，硫化钠或连二亚硫酸钠作为硫源，通过简便的一步法合成了一种镍、硫共掺杂的纳米零价铁材料。该材料保留了纳米零价铁的晶型特征，具有硫化纳米零价铁的疏水性；且此法既能提高实际硫掺杂量、增强材料本身的导电性，也不会因镍源引入而造成额外的镍污染，体现了该设计的绿色环保优势。总之，此发明为同类型共掺杂纳米材料提供了一种新的设计思路和技术方法参考。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种镍、硫共掺杂纳米零价铁以及制备方法与应用。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供了一种镍、硫共掺杂纳米零价铁的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：取无水三氯化铁溶于去离子水中，配成Fe³⁺储备液；

步骤二：取六水合氯化镍溶于去离子水中，配成Ni²⁺储备液；

步骤三：将步骤一制备得到的Fe³⁺储备液和步骤二制备得到的Ni²⁺储备液混合配成金属混合溶液，所述金属混合溶液中，Ni²⁺和Fe³⁺摩尔比为0.01～0.1:1；氮气环境下并使用旋转搅拌棒以100～800rpm的转速进行充分搅拌混匀；

步骤四：取含硫试剂和硼氢化钠按质量比0.02～0.35:1溶于无氧去离子水中，得到硫溶液；

步骤五：将步骤四制备得到的硫溶液以3～10mL/min的滴速滴加至充分搅拌混匀的金属混合溶液中，硫溶液的S^2-和金属混合溶液的Fe³⁺的摩尔比为0.14～0.28:1，滴加过程中金属混合溶液在氮气环境下并处于搅拌状态，反应20～30min；

步骤六：反应结束后，采用磁铁分离制得的材料，并使用无氧去离子水清洗3次；