[发明专利]一种多级多孔结构的整体式氮掺杂碳催化材料、制备方法及其应用

说明书

一种具有可自支撑多级多孔结构的整体式催化材料、3D打印制备方法及其应用，属于吸附催化材料技术领域。是以氮掺杂碳水凝胶前体为3D打印的墨水主体，利用三维建模软件设计了适用于流动式废水连续处理的多级多孔结构模型，然后通过直接墨水书写的3D打印技术制备得到3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶，具有可自支撑的毫米‑微米‑纳米多级多孔结构，能提高比表面积和活性位点的利用效率，优化传质过程，有利于水的流通和有机污染物与细菌的吸附。该整体式气凝胶不仅对流动状态下的污水具有良好的持续吸附催化性能，还具有成本低廉、操作简单、稳定性好和可规模化制备的特点，在环境污水净化领域有着更好的可回收性，可持续和工业化应用的前景。

技术领域

本发明属于吸附催化材料技术领域，具体涉及一种具有可自支撑多级多孔结构的整体式催化材料、3D打印制备方法及其在污水净化中的应用。

背景技术

随着工业化进程的加快和科学技术的高速发展，有机污染物和细菌对水环境的污染严重危害着生态环境和人类健康，已引起全球性的关注。高级氧化法可通过产生高活性氧来降解有机物和灭活细菌，是最有效的废水处理方法之一。基于过氧单硫酸盐的高级氧化法因其能产生氧化还原电位更高、半衰期相对更长的活性氧物质，如SO₄^-·和¹O₂，对水中难降解有机物和细菌的处理具有更大的潜力。氮掺杂碳材料，具有高稳定性和快速的电子传输特性，是很有前途的催化材料，但仍需进一步改性以提高性能。此外，大多数传统催化剂在宏观上呈粉末状态，在实际应用中易团聚使其活性降低，且可回收性差，工业化前景不理想。实际应用中连续性处理流动排放的废水的问题也亟待解决。

近年来，具有多孔结构和自支持性的三维碳材料由于其众多的优势也越来越受研究人员的关注。于中振教授团队(ACS applied materialsinterfaces,2019,11,34222-34231)采用水热合成、定向冷冻的方法设计制造了一种垂直取向的各向异性CoFe₂O₄@石墨烯复合气凝胶。因具有长直状的孔道结构，其可以在流动条件下有效活化过氧单硫酸盐(PMS)，连续性的高效降解靛蓝胭脂红、苯酚等多种有机污染物。黄富强教授团队(ACSApplied Nano Materials,2020,3,1564-1570)通过以易操作的食盐辅助热解，以食用原料(如琼脂、果胶和面粉)为原料的绿色方法，制备了纳米多孔碳泡沫。并将其和非织造布组成复合空气过滤纸，对PM_2.5和PM₁₀具有优异的吸附过滤性能。研究表明整体式碳气凝胶的多孔结构有利于吸附和催化效率的提升，并提高稳定性，但目前关于“绿色”整体式碳气凝胶的可规模化制备方法还比较有限。

天然碳源如琼脂糖是一种无毒、低廉的天然多糖材料，物理性能可随温度变化，有较好的凝胶性能，其水凝胶具备一定的机械强度和天然生物材料的优势。近年来新兴的3D打印技术可以通过对材料结构和组分分布的精确控制来优化复合材料的催化和吸附性能，并且其操作简便灵活，可以更加高效的制备具有复杂的整体式三维结构的催化剂。但基于天然碳源的如纯琼脂的水凝胶缺乏具有合适力学性能以及存在材料普遍较差的成形性能。目前为止，还没有3D打印制备基于天然碳源的整体式吸附催化材料的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有可自支撑多级多孔结构的整体式氮掺杂碳催化材料、3D打印制备方法及其在污水净化中的应用。该3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶，具有可自支撑的毫米-微米-纳米多级多孔结构，能提高比表面积和活性位点的利用效率，优化传质过程，有利于水的流通和有机污染物与细菌的吸附。天然碳源不仅廉价易得，而且更符合绿色环保的理念，适合广泛应用于污水处理领域。应用3D打印技术制备的整体式氮掺杂碳气凝胶具有良好的吸附催化性能、可操作性和结构稳定性，并可实现可规模化的简单制备，具有非常广阔的污水处理工业化应用前景。

本发明所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，具体步骤如下：