一种高效降解多环芳烃有毒副产物的Fe-Zn-C/N复合催化剂及其制备方法与应用

本发明涉及水处理和催化，具体涉及一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂及其制备方法与应用。

背景技术：

1、在石油开采、储藏、运输等过程中，会有部分通过泄露进入水环境中，对水体造成严重污染。石油中含有大量多环芳烃，具有三致特性，其经高级氧化、生物分解等途径分解后会产生大量有毒副产物，例如9-芴酮、9，10-蒽醌和萘等，对生物体危害更为严重。针对大量生成有毒副产物的问题，开发一种针对水体中的多种多环芳烃副产物具有较高催化氧化活性的非均相催化剂至关重要，在对高级氧化和生物降解工艺后进行补充氧化工艺，对消除副产物毒性，修复副产物二次污染水体具有重要意义。

2、单原子催化剂由于其特殊的结构而呈现出显著不同于常规纳米催化剂的活性、选择性和稳定性，但现有的单原子催化剂的合成方法仍然存在着许多问题，如合成方法复杂，难以大规模制备等。针对多环芳烃分解后的有毒副产物降解的单原子催化剂还未有公开。

技术实现思路

1、本发明的目的之一是提供一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂的制备方法，工艺简单，成本低廉。

2、本发明的目的之二是提供上述方法制得的一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂，能有效活化过硫酸氢钾，快速降解水中多环芳烃分解过程中产生的有毒副产物9-芴酮、9，10-蒽醌和萘。

3、本发明的目的之三是提供上述fe-zn-c/n复合催化剂在催化降解水中多环芳烃有毒副产物方面的应用。

4、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、第一方面，本发明提供一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂制备方法，包括以下步骤：

6、(1)以50vol％的甲醇水溶液为溶剂，分别配制浓度为0.1mol/l的乙酰丙酮铁溶液和1,8-二氮萘溶液，超声分散后以体积比1：2混合，在搅拌状态下反应1小时，得到溶液a；

7、(2)以无水甲醇为溶剂，分别配制2-甲基咪唑溶液和硝酸锌溶液，超声分散后混合，在室温下搅拌反应12小时，经离心分离得到白色固体；其中混合时2-甲基咪唑与硝酸锌的摩尔比为4：1；

8、(3)将步骤(2)得到的白色固体用甲醇和水洗涤，冷冻干燥，经程序升温碳化、洗涤、干燥后得到黑色催化剂骨架材料；

9、(4)将步骤(1)得到的溶液a与步骤(3)得到的催化剂骨架材料混合并超声分散，在搅拌条件下蒸干得到黑色固体；

10、(5)将步骤(4)得到的黑色固体经研磨后在惰性气氛下焙烧碳化，经甲醇和水洗涤、干燥后得到fe-zn-c/n复合催化剂。

11、优选的，步骤(3)中所述程序升温碳化的过程是：从室温以5℃/min的升温速度升至600℃并保持2h，之后以5℃/分钟的升温速度升至1100℃并保持2h，之后随炉缓慢冷却至室温。

12、优选的，步骤(4)中所述催化剂骨架材料与溶液a的混合配比为62mg/1ml。

13、优选的，步骤(5)中所述焙烧碳化的过程是：以5℃/min的升温速率从室温升至600℃并保持2h，之后随炉冷却。

14、第二方面，本发明还提供由上述制备方法制得的一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂。

15、所述催化剂包括氮掺杂的多孔碳(c/n)催化剂骨架和以单原子形式负载在其表面及内部的fe、zn活性位点。

16、第三方面，本发明提供上述fe-zn-c/n复合催化剂在催化降解水中多环芳烃分解过程中产生的有毒副产物中的应用。

17、优选的，所述有毒副产物为9-芴酮、9，10-蒽醌和萘中的一种或多种。

18、具体地，将催化剂加入含有毒副产物的污染水中，然后加入过硫酸氢钾溶液，并在室温下搅拌反应120分钟。其中，有毒副产物9-芴酮、9，10-蒽醌和萘在体系中的浓度为1mg/l，催化剂的加入量为0.1g/l，过硫酸氢钾在体系中的浓度为2mmol/l。

19、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

20、1.本发明提供的催化剂制备方法简单，原料低廉易得，能实现工业化生产；

21、2.本发明的催化剂能够通过活化过硫酸氢钾生成单线态氧，快速降解水中多环芳烃分解过程中产生的有毒副产物9-芴酮、9，10-蒽醌和萘，催化效率高，有效解决多环芳烃降解过程中所引起的二次污染，具有较高的经济性和实用性。

技术特征：

1.一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述程序升温碳化的过程是：从室温以5℃/min的升温速度升至600℃并保持2h，之后以5℃/分钟的升温速度升至1100℃并保持2h，之后随炉缓慢冷却至室温。

3.根据权利要求1所述的一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述催化剂骨架材料与溶液a的混合配比为62mg/1ml。

4.根据权利要求1所述的一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述焙烧碳化的过程是：以5℃/min的升温速率从室温升至600℃并保持2h，之后随炉冷却。

5.一种高效降解多环芳烃有毒副产物的fe-zn-c/n复合催化剂，其特征在于，由权利要求1至4任一项所述的制备方法制得。

6.权利要求5所述的fe-zn-c/n复合催化剂在催化降解水中多环芳烃有毒副产物方面的应用。

7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述多环芳烃有毒副产物为9-芴酮、9，10-蒽醌和萘中的一种或多种。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，具体的降解步骤为：将催化剂加入含有毒副产物的污染水中，然后加入过硫酸氢钾溶液，并在室温下搅拌反应120分钟；其中，所述有毒副产物在体系中的浓度为1mg/l，催化剂的加入量为0.1g/l，过硫酸氢钾在体系中的浓度为2mmol/l。

技术总结
本发明公开了一种高效降解多环芳烃有毒副产物的Fe‑Zn‑C/N复合催化剂及其制备方法与应用，属于水处理领域。首先将一定量1,8‑二氮萘与乙酰丙酮铁在甲醇/水中进行螯合反应，得到溶液A，向溶液A中加入由2‑甲基咪唑与六水合硝酸锌经合成、碳化后得到的催化剂骨架材料，在超声下分散后经蒸干、惰性气氛下焙烧碳化，得到高效降解多环芳烃有毒副产物的Fe‑Zn‑C/N复合催化剂。本发明制得的催化剂能够通过活化过硫酸氢钾快速降解水中多环芳烃分解过程中产生的有毒副产物9‑芴酮、9，10‑蒽醌和萘，催化效率高，成本低廉，工业化前景良好。

技术研发人员：黄少萌,王丽萍,金韬,伍林,滕乐,赵雅琴,何士龙
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16