[发明专利]氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于氧化石墨复合材料及其制备领域，特别涉及一种氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂及其制备方法。

背景技术

高级氧化技术（Advanced Oxidation Processes，简称AOPs）是20世纪50年代发展起来的一种用于处理难降解有机污染物的技术。以硫酸根自由基（SO₄^-·）为主要活性物种的高级氧化技术因硫酸根自由基的高氧化能力、操作简便、与环境兼容、SO₄^-·的产生方式比·OH容易的多、SO₄^-·的失活因素少等优点引起了研究者越来越多的关注，并相继开展了研究与开发的工作。过渡金属活化过硫酸盐或单过氧硫酸氢盐均可以产生硫酸根自由基，并且反应可以在常温常压下进行，反应条件温和。

均相Co/PMS系统具虽然有催化效率高，氧化能力强等优点，但同时也存在着局限性，比如催化剂不易回收再利用等，而最大的局限性就是Co²⁺对环境不友好，尽管均相催化需要的Co²⁺的量不是很多，但是仍然可以造成潜在的二次污染和生物毒性。如果能够将钻离子固定化，而又不会使其失去活性，那么以上的缺点就可以得到克服。非均相催化正是基于这一点而产生的。

氧化石墨烯为单层的氧化石墨，是石墨烯重要的派生物，它的结构与石墨烯大体相同，只是在一层碳原子构成的二维空间无限延伸的基面上连接有大量-OH、C-O-C、-COOH等亲水活性基团，这些功能性基团赋予氧化石墨烯一些新的特性，如分散性、亲水性、与聚合物的兼容性等。氧化石墨烯表面带有大量亲水性酸性官能团，具有良好的润湿性能和表面活性，因而使其能够在稀碱和纯水中分散而形成稳定的胶状悬浮液。而正是由于氧化石墨烯具有的这些特性，使得氧化石墨烯能与绝大多数金属和金属氧化物复合得到性能优异的复合材料。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂及其制备方法，该催化剂可应用在基于硫酸根自由基的高级氧化技术中，从而解决钴的溶出及催化效果低下等问题，其制备方法反应条件温和，操作简单，成本低。

本发明的一种氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂，该催化剂包括氧化石墨烯纳米片和四氧化三钴，四氧化三钴负载在氧化石墨烯纳米片上，其中氧化石墨烯纳米片的质量分数为5-95%。

所述的氧化石墨烯纳米片的厚度为0.8-100纳米，平面直径为0.5-50微米。

所述的四氧化三钴为球状，四氧化三钴的粒径为3-300纳米。

本发明的一种氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂的制备方法，包括：

（1）将氧化石墨烯加入到正己醇中，超声分散0.5-5小时；

（2）将二价钴盐溶于正己醇中；

（3）在搅拌下，将步骤（2）中制备的溶液缓慢加入到步骤（1）制备的溶液中，同时加入碱溶液，并继续搅拌2-5小时，得混合液；搅拌下将所得的混合液于50-150℃加热反应5-20小时，冷却至室温后洗涤，得沉淀物，最后将得到的沉淀物于40-60℃真空干燥12-24小时，即得氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂。

步骤（1）中所述的氧化石墨烯与正己醇的质量比为1:10-1000。

步骤（2）中所述的二价钴盐为硝酸钴、氯化钴、乙酸钴、硫酸钴、碳酸钴中的一种。

步骤（2）中所述的二价钴盐与正己醇的质量比为0.5-5:10-100。

步骤（3）中所述的碱溶液的用量与氧化石墨烯的质量比为20-500:1。

步骤（3）中所述的碱溶液为氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液、氨水溶液、碳酸氢钠水溶液、碳酸氢钾水溶液、乙酸钠水溶液、乙酸钾水溶液中的一种，碱溶液的质量浓度为10-40%。

同时，对制备出来的复合材料进行催化性能测试。测试步骤包括：

（1）在100毫升0.2毫摩尔每升的酸性橙Ⅱ染料废水中，加入0.2毫摩尔过氧硫酸氢钾复合盐，并用0.5摩尔每升的碳酸氢钠溶液调节pH值为中性；

（2）再加入0.01-0.05克上述氧化石墨烯层间负载纳米四氧化三钴催化剂，室温下搅拌反应，并定时取出一定反应液淬灭反应后测定其吸光度；

（3）根据吸光度值的大小计算染料的降解程度，从而考察上述氧化石墨烯/纳米四氧化三钴复合材料的催化效果。