CN104353481B - 一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将物质的量比为1:1‑5:1的锌盐和含氮配体溶于有机溶剂中形成均一溶液，逐滴加入三乙胺5‑20mL，搅拌0.5‑3h，经过滤后，得到固体产物，将所述固体产物经洗涤、溶剂交换、真空干燥，得到含氮锌金属有机骨架的粉末；再将所述含氮锌金属有机骨架的粉末在氮气气氛中以2‑20℃/min的速率升温至≥910℃，并在该温度下恒温保持1‑12h，再降至室温，得到所述催化剂。本发明还提供了上述制备方法得到的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂及其在污水降解中的应用。该催化剂不含金属，含氮量低，具有较高的比表面积，并且制备方法简易，步骤经济，可高效降解污水中的4‑硝基酚。
Description
技术领域
本发明提供了一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂及其制备方法与应用，涉及化工技术领域，特别是功能化碳纳米材料技术领域。
背景技术
污水处理对于环境保护和实现可持续发展具有重大而深远的意义。将农业或工业废水中的有机污染物4-硝基酚还原为4-氨基酚既能降低环境污染，又能变废为宝，为苯胺、扑热息痛等精细化学品的生产提供原料。
然而，目前用于4-硝基酚还原的催化剂主要是Au、Pd、Ag、PtNi、AuCu、PdCu等贵金属或掺杂型贵金属催化剂。这些贵金属催化剂虽然活性高，但由于其成本高，储量极其有限，严重制约了贵金属催化剂的大规模生产及在污水处理领域的应用。
近年来，以镍为代表的过渡金属催化剂的开发和使用在很大程度上缓解了使用贵金属催化剂带来的压力。因此，各种含镍催化剂，例如NiCo2、NiCu合金、Ni@silica、Ni/SiO2-Al2O3、Ni@MWCNT、Ni/MC等被广泛合成并用于4-硝基酚的降解。然而，过渡金属催化4-硝基酚的降解，其还原转化率通常较贵金属低。
最近，不含金属的氮掺杂石墨烯被用于4-硝基酚的还原，研究发现这种氮掺杂石墨烯的活性与贵金属催化剂相当，大大降低了生产成本。然而，这种氮掺杂的石墨烯需要经历多步反应制备，氮的有效利用率低；同时石墨烯的微孔结构不利于物质传递和运输。因此，采用简易有效的方法制备高性能的氮掺杂介孔碳材料就尤为必要。
目前，氮掺杂介孔碳材料主要通过有序介孔硅硬模板方法制备。这种方法通常选用具有特殊孔隙的介孔硅材料(如SBA-15)作为模板，浸渍目标原料或含氮前驱体使其在模板材料的孔道中发生反应，然后碳化并去除模板后，得到氮掺杂的有序介孔碳。例如，赵东元课题组(Yongde Xia,Robert Mokaya.Synthesis of ordered mesoporous carbon andnitrogen-doped carbon materials with graphitic pore walls via a simplechemical vapor deposition method,Advanced Materials,2004,16:1553-1558)利用SBA-15浸渍苯乙烯/乙腈，经碳化及移除模板后得到了氮掺杂的有序碳纳米棒CMK-3V系列。很明显，该方法经历介孔硅硬模板制备、碳氮源浸渍、碳化、硬模板移除等多个步骤，历时长、成本高。且硬模板法得到的碳纳米棒是实心结构，比表面积很小，这些特点决定了硬模板法不适合大规模生产。
另一方面，直接碳化含氮前驱体能够方便地实现原位氮掺杂，并且氮掺杂量和掺杂状态可控。目前，以三聚甲醛、乙腈、N-杂环或酞菁为碳氮源，采用化学气相沉积方法合成氮掺杂碳纳米管和碳纳米纤维的研究已见诸报道。然而，在无模板条件下，热解不规则结构前驱体无法控制氮掺杂碳材料的结构，得到的氮掺杂碳材料通常具有微孔结构，表面积很小。最近，利用金属有机骨架含碳丰富及金属锌沸点低，易在高温条件下被移除的特点，直接碳化含锌金属有机骨架，一步制备高比表面积的多孔碳纳米材料，被证明是一种行之有效的方法。例如Yang等(Seung Jae Yang,Taehoon Kim,Ji Hyuk Im,Yern Seung Kim,Kunsil Lee,Haesol Jung,Chong Rae Park.MOF-derived hierarchically porouscarbon with exceptional porosity and hydrogen storage capacity,Chemistry ofMaterials,2012,24:464-470)在900℃惰性气体条件下直接碳化IRMOF-1、IRMOF-3和IRMOF-8，得到比表面积分别为3174、1678和1978m2/g的多孔碳，这些多孔碳具有介孔结构，孔径最大为3.0nm。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法。本发明催化剂的制备方法简易，步骤经济，且能同时控制催化剂的介孔结构和氮的掺杂状态。
本发明的目的还在于提供上述催化剂的制备方法得到的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂。本发明的催化剂不含金属，含氮量低，具有较高的比表面积。
本发明的目的还在于提供上述催化剂在污水降解领域的应用。
为达到上述目的，本发明提供了一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
a、将物质的量比为1:1-5:1的锌盐与含氮配体溶于有机溶剂中形成均一溶液，逐滴加入三乙胺5-20mL，搅拌0.5-3h，经过滤后，得到固体产物，将所述固体产物经洗涤、溶剂交换、真空干燥，得到含氮锌金属有机骨架的粉末；
b、将上述含氮锌金属有机骨架的粉末在氮气气氛中以2-20℃/min的速率升温至≥910℃，并在该温度下恒温保持1-12h，再降至室温，得到污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂。
在上述的制备方法中，优选地，采用的锌盐包括二水乙酸锌、无水乙酸锌、氯化锌、四水硫酸锌、四水硝酸锌、六水硝酸锌中的一种或两种以上的组合。
在上述的制备方法中，优选地，采用的含氮配体包括2,3-二甲基-1,4-双(4'-氮苯甲酸)丁二烯、2-氨基对苯二甲酸、2-甲基咪唑中的一种或两种以上的组合。
在上述的制备方法中，优选地，采用的有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二乙基甲酰胺(DEF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAC)中的一种或两种以上的组合。
在上述的制备方法中，优选地，在上述均一溶液中，有机溶剂与锌盐的物质的量比为20:1-200:1。
在上述的制备方法中，优选地，洗涤用有机溶剂的用量为50-75mL，上述洗涤用有机溶剂与上述均一溶液中的有机溶剂相同；溶剂交换中使用的溶剂为CHCl3或CH2Cl2，其用量为50-75mL，交换时间为24h；真空干燥的温度为50-80℃，时间为5-12h。
在上述的制备方法中，优选地，锌盐与含氮配体的物质的量比为3:1。
在上述的制备方法中，优选地，含氮锌金属有机骨架粉末是在氮气气氛中以5℃/min的速率升温至950℃，并在该温度下恒温保持2h。
本发明还提供了上述的制备方法得到的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂。
本发明还提供了上述污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂在污水降解中的应用。
本发明的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法不需要添加成孔试剂，不使用超分子模板剂、第二碳源，也不需要外加氮源，而是直接将含氮锌金属有机骨架进行高温碳化，在高温碳化时，原位还原形成的金属锌(沸点908℃)被移除，得到氮掺杂介孔碳催化剂，该制备方法简易，步骤经济，且能同时控制催化剂的介孔结构和氮的掺杂状态。
由上述制备方法得到的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂不含金属，含氮量低，孔径分布窄，具有较高的比表面积，同时具有单层石墨片层结构。
将上述氮掺杂介孔碳催化剂应用于污水降解过程，该催化剂有利于污水中4-硝基酚的吸附与活化，并且可在数分钟之内实现4-硝基酚的完全降解，同时该催化剂稳定性高，能被重复使用7次而活性没有明显下降。
附图说明
图1为实施例1合成的含氮锌金属有机骨架(NZnMOF)及碳化后得到的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂的X-射线衍射(XRD)谱图；
图2a-图2d分别为实施例1合成的含氮锌金属有机骨架(NZnMOF)中的C、N、O、Zn元素的面分布图；
图2e-图2h分别为碳化后得到的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂中的C、N、O、Zn元素的面分布图；
图3a为实施例1合成的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂的N2吸附/脱附等温线图，
图3b为实施例1合成的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂的孔分布曲线图；
图4为实施例1合成的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂的N1s X-射线光电子能谱图；
图5为实施例1合成的0.2mg污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂催化4-硝基酚还原的紫外-可见光谱(UV-vis)扫描结果图；
图6为位于波长λ＝400nm处吸收峰强度随时间的变化图；
图7为4-硝基酚转化率随时间变化的关系图；
图8为实施例1合成的污水降解用氮掺杂介孔碳(MNC-1)催化剂的循环使用结果图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
含氮配体2,3-二甲基-1,4-双(4'-氮苯甲酸)丁二烯的制备：
将57.6g 4-氨基苯基酸(420mmol)溶于100mL甲醇(MeOH)中，加入80滴无水甲酸，然后逐滴加入17.6mL(200mmol)2,3-丁二酮(溶于100mL MeOH)，随后在室温下搅拌24h；析出的沉淀用5℃的冷MeOH洗涤，晾干，得到淡黄色粉末含氮配体2,3-二甲基-1,4-双(4'-氮苯甲酸)丁二烯(标记为L')，产率为21.8％。
污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备：
将30mmol Zn(NO3)2·6H2O(9.0g)与10mmol(3.25g)配体L'在搅拌条件下溶于50mLDMF中，当形成均一溶液时，逐滴加入11.0mL三乙胺(TEA)，然后室温下搅拌1h，经过滤得到固体产物，再将上述固体产物使用50-75mL的DMF慢慢洗涤，然后使用75mL的CHCl3交换24h，重复三次。然后在80℃真空干燥5h，得到含氮锌金属有机骨架的粉末(NZnMOF)；
将上述得到的NZnMOF粉末置于石英舟中，在氮气气氛中，以5℃/min的速率升温至950℃，在氮气气氛中950℃碳化2h，得到污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂，记为MNC-1。该MNC-1催化剂的BET比表面积为2269m2/g，孔径为4.0nm，孔容为2.81cm3/g。
将实施例1得到的NZnMOF、MNC-1催化剂用XRD、SEM-mapping、N2吸附/脱附、XPS、CHN元素分析等技术进行表征。
NZnMOF及碳化后得到的MNC-1催化剂的X-射线衍射(XRD)谱图如图1所示，从图1可以看出，具有高结晶度的NZnMOF经碳化后转化为具有石墨结构和无定型碳结构的碳材料；
NZnMOF中的C、N、O、Zn元素的面分布图分别如图2a-图2d所示，碳化后得到的MNC-1催化剂中的C、N、O、Zn元素的面分布图分别如图2e-图2h所示，通过对比NZnMOF(图2a-图2d)和MNC-1(图2e-图2h)的元素面分布图可知：C、N、O的含量在碳化前后差别不大，而碳化后Zn含量明显减少，表明在高温碳化后，绝大部分Zn被移除；
MNC-1催化剂的N2吸附/脱附等温线图如图3a所示，孔分布曲线图如图3b所示，从图3a可以看出，低温N2吸附等温线为IV型曲线，表明MNC-1具有介孔结构；从图3b可以看出，MNC-1催化剂的平均介孔尺寸为4.0nm；
MNC-1催化剂的N1s X-射线光电子能谱图如图4所示，从图4可以看出，在MNC-1中存在四种类型的掺杂氮原子，分别是：石墨化氮(401.0eV)、吡咯氮(400.2eV)、氨基氮(399.5eV)和吡啶氮(398.8eV)，其含量分别为：32.2at％、21.2at％、23.1at％和23.5at％。
结果表明，采用本发明方法制备的MNC-1催化剂具有单层石墨片层结构，样品中C、O、N元素分布均匀；且具有极高的比表面积和发达的孔结构，比表面积为2269m2/g，孔径为4.0nm。CHN元素分析证实样品氮含量较低(3.6wt％)；XPS结果显示其表面N含量仅为3.2wt％。进一步分析得知：在氮掺杂介孔碳中存在四种氮，分别是石墨氮(401.0eV，32.2at％)、吡啶氮(398.8eV，23.5at％)、吡咯氮(400.2eV，21.2at％)和氨基氮(399.5eV，23.2at％)。这类氮掺杂介孔碳具有规则的介孔结构和高比例的活性氮(石墨氮和吡啶氮)，有利于4-硝基酚的扩散、吸附和活化。这些特点决定了本发明制备的氮掺杂介孔碳具有极好的4-硝基酚降解能力，比速率常数为14.1×10-4molL-1s-1g-1，比目前Kong等(XiangkaiKong,Zhiyuan Sun,Min Chen,Changle Chen,Qianwang Chen.Metal-free catalyticreduction of 4-nitrophenol to 4-aminophenol by N-doped graphene,Energy&Environmental Science,2013,6,3260-3266)制备的用于4-硝基酚还原的唯一氮掺杂催化剂，氮掺杂石墨烯，高出一个数量级(5.4×10-4molL-1s-1g-1)。
实施例2
本实施例提供一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备：
将30mmol四水硝酸锌与10mmol配体L'溶于600mL DEF中，形成均一溶液之后，逐滴加入三乙胺15mL，然后在室温下搅拌1h，经过滤得到固体产物，再将上述固体产物使用50-75mL DEF慢慢洗涤，然后使用55mL的CHCl3交换24h，重复三次，在80℃真空干燥5h，得到含氮锌金属有机骨架的粉末(NZnMOF)；
将上述得到的NZnMOF粉末置于石英舟中，在氮气气氛中，以2℃/min的速率升温至910℃，然后在氮气气氛中910℃碳化4h，得到污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂，记为MNC-2。
实施例3
本实施例提供一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将20mmol氯化锌与10mmol配体L'溶于100mL DMAC中，在室温下搅拌0.5h，经过滤得到固体产物，再将上述固体产物使用50-75mL DMAC慢慢洗涤，然后用60mL的CHCl3交换24h，重复三次，在80℃真空干燥8h，得到含氮锌金属有机骨架的粉末(NZnMOF)；
将上述得到的NZnMOF粉末置于石英舟中，在氮气气氛中，以15℃/min的速率升温至980℃，然后在氮气气氛中980℃碳化2h，得到污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂，记为MNC-3。
实施例4
本实施例提供一种污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：
将6.4gTEA(64mmol)缓慢加入到含有16mmol Zn(NO3)2·6H2O(4.8g)与8mmol的2-氨基对苯二甲酸(1.32g)的160mL DMF溶液中，在室温下搅拌1.5h，经过滤得到固体产物，用50-75mL DMF洗涤，然后用70mL的CHCl3交换24h，重复三次。经80℃干燥5h后，得到含氮锌金属有机骨架的粉末(NZnMOF)；
将上述得到的NZnMOF粉末置于石英舟中，在氮气气氛中，以5℃/min的速率升温至950℃，然后在氮气气氛中950℃碳化2h，得到污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂，记为MNC-4。
实施例5
本实施例提供一种氮掺杂碳材料制备方法，包括以下步骤：
将0.405g Zn(NO3)2·6H2O溶于20mL MeOH形成溶液；将0.263g 2-甲基咪唑溶于20mL MeOH形成溶液；将两者混合，搅拌5min，然后在室温下老化24h，得到白色沉淀；
将上述白色沉淀用50-75mL MeOH洗涤，80℃干燥5h后，在氮气气氛中，以10℃/min的速率升温至980℃，然后在980℃保持2h，即得到氮掺杂碳材料，记为NC-1。
实施例6
本实施例提供了实施例1制备得到的污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂在污水降解中的应用，包括以下步骤：
(1)污水中4-硝基酚的还原反应：
称取0.2mg MNC-1催化剂均匀分散于0.01M的硼氢化钠溶液中，并定容至100mL，得到均匀分散的固液混合物，然后量取2.5mL上述均匀分散的固液混合物于石英比色皿中，并加入25μL浓度为0.01M的4-硝基酚溶液混合均匀。在此条件下，反应15min，4-硝基酚的转化率达到最大，其转化率大于99.0％。
采用754PC紫外分光光度计(单光束，上海菁华有限公司生产)监测反应进程，扫描速度为中速，扫描范围为200-500nm。将石英比色皿迅速放入样品槽中，记录200-500nm波长范围内吸光度随时间的变化情况；当样品的吸光度不再变化时，停止采集。0.2mg MNC-1催化剂催化4-硝基酚还原的紫外-可见光谱(UV-vis)扫描结果图如图5所示，图5表明，随着反应的进行，位于400nm处的吸收逐渐减弱，而位于295nm处的吸收逐渐增强，表明反应物4-硝基酚不断消耗，而有产物4-氨基酚的生成，并且产物含量不断积累；将反应混合物离心，经多次洗涤之后，再加入2.5mL浓度为0.01M的硼氢化钠溶液和25μL浓度为0.01M的4-硝基酚溶液，混合均匀，进行下一次反应。MNC-1催化剂的循环使用结果图如图8所示，图8表明，MNC-1催化剂在第一次循环时4-硝基酚的转化率达到99.0％，在第3、5、7、9和11次重复使用时，4-硝基酚的转化率分别为：98.0％、100％、95.0％、66.0％和72.7％。这表明催化剂能被重复使用11次，但在第9次反应时活性已有明显下降。
(2)4-硝基酚还原性能的评价：
反应进程可通过监测反应体系在波长λ＝400nm处的吸光度变化而获得，位于波长λ＝400nm处吸收峰强度随时间的变化图如图6所示，图6表明，吸收峰强度随时间的变化呈线性关系，表明该反应为零级反应，由此可建立吸光度(Ai)与反应时间(t)的函数关系。反应转化率(C)可通过公式：C＝(1-Ct/C0)×100％＝(1-At/A0)×100％计算得到(Ct、C0分别是反应时间为t、0时4-硝基酚的浓度；其比值可以通过测定反应时间为t、0时4-硝基酚的吸光度来计算)，4-硝基酚的转化率随时间变化的关系图如图7所示，图7表明，4-硝基酚的转化率随时间的变化呈线性关系，表明该反应为零级反应。
由于污水降解用氮掺杂介孔碳催化剂催化4-硝基酚还原的反应属于零级反应，反应速率常数等于反应速率，因此，反应速率常数(k)通过公式：k＝(C0×C)/t计算得到。为了比较不同催化剂的催化性能，定义比速率常数(K)：K＝k/m。
Claims (9)
1.一种用于降解污水中4-硝基酚的氮掺杂介孔碳催化剂的制备方法，其包括以下步骤：
a、将物质的量比为1:1-5:1的锌盐和含氮配体溶于有机溶剂中形成均一溶液，逐滴加入三乙胺5-20mL，搅拌0.5-3h，过滤得到固体产物，对所述固体产物进行洗涤、溶剂交换、真空干燥，得到含氮锌金属有机骨架的粉末；其中，所述含氮配体为2,3-二甲基-1,4-双(4'-氮苯甲酸)丁二烯；
b、将所述含氮锌金属有机骨架的粉末在氮气气氛中以2-20℃/min的速率升温至≥910℃，并在该温度下恒温保持1-12h，再降至室温，得到用于降解污水中4-硝基酚的氮掺杂介孔碳催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述锌盐选自二水乙酸锌、无水乙酸锌、氯化锌、四水硫酸锌、四水硝酸锌、六水硝酸锌中的一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述有机溶剂选自N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺中的一种或两种以上的组合。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在所述均一溶液中，所述有机溶剂与所述锌盐的物质的量比为20:1-200:1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述洗涤用有机溶剂的用量为50-75mL；所述溶剂交换中使用的溶剂为CHCl3或CH2Cl2，其用量为50-75mL，交换时间为24h；所述真空干燥的温度为50-80℃，时间为5-12h。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述锌盐与所述含氮配体的物质的量比为3:1。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其中，所述含氮锌金属有机骨架粉末是在氮气气氛中以5℃/min的速率升温至950℃，并在该温度下恒温保持2h。
8.权利要求1-7任一项所述的制备方法得到的用于降解污水中4-硝基酚的氮掺杂介孔碳催化剂。
9.权利要求8所述的用于降解污水中4-硝基酚的氮掺杂介孔碳催化剂在降解污水所含4-硝基酚中的应用。
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