CN110694578A - 一种Co-C-N复合材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种Co-C-N复合材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明特别涉及一种Co‑C‑N复合材料及其制备方法与应用。本发明的制备方法，包括以下步骤：(1)将咪唑类配体、钴盐分别配制为溶液，然后混合，在15‑35℃反应0.5‑6小时，得到Co‑ZIFs复合材料；(2)将所述Co‑ZIFs复合材料在保护气氛下煅烧，得到Co‑C‑N复合材料。本发明的制备方法简单易操作，生产效率高；制备的Co‑C‑N复合材料在污水处理中作为吸附剂，能够有效吸附废水中的有色物质以及难降解的有机化合物，吸附性能良好，适用范围广，并且易于分离回收，不会带来二次污染。

Description

一种Co-C-N复合材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明特别涉及一种Co-C-N复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
在科学技术不断提升的今天，我国的经济发展也步入新时期。在过度重视经济发展的背景下，各行业在日常生产中产生了大量的污染废水，对生活及生产水环境带来了严重的影响。在污染废水排放之前，最后一道处理工艺通常为物理吸附。物理吸附一般利用多孔性固体(称为吸附剂)吸附废水中某种或几种污染物，以回收或去除某些污染物，从而达到净化废水的目的。
如何有效净化废水的关键问题在于吸附剂的选择，主要考虑两大方面的因素，一是吸附性能，二是易于回收。目前常用的吸附剂主要是活性炭，但其吸附过后难以与废水分离，存在难回收的问题，而其它材料吸附性能则弱于活性炭，不能实现良好的吸附效果。因此，亟待开发一种具有良好吸附性能且易于回收的吸附剂。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Co-C-N复合材料及其制备方法与应用。本发明的制备方法反应过程简单、易于操作，制备得到的Co-C-N复合材料具有良好的吸附性能，作为吸附剂能够对废水中有色物质及难降解有机化合物进行有效的吸附，且易于分离回收。
本发明采用以下技术方案：
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将咪唑类配体、钴盐分别配制为溶液，然后混合，在15-35℃反应0.5-6小时，得到Co-ZIFs复合材料；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在保护气氛下煅烧，得到Co-C-N复合材料。
优选地，所述咪唑类配体与钴盐的摩尔比为10:4-1。发明人经过实践发现，改变不同的原料及其配比，在本发明的工艺条件下，所得Co-ZIFs复合材料的比表面积和孔径有较明显的差距，进而影响后续产物的性能。本发明选择在摩尔比为10:4-1的范围内，所得Co-ZIFs复合材料具有所需的比表面积和孔径。
优选地，所述咪唑类配体为2-甲基咪唑或咪唑。
优选地，所述钴盐为六水合硝酸钴或四水合乙酸钴。
优选地，还包括对步骤(1)得到的Co-ZIFs复合材料进行真空干燥。
进一步优选地，所述真空干燥在60-80℃进行7-12小时，在制备过程中溶剂具有较强的挥发性，所以真空干燥可以保证溶剂在较低温度下快速挥发。
优选地，所述保护气氛为氮气或氩气，有效地避免了金属被氧化而生成氧化物，使产物失去了磁性。
优选地，所述煅烧在800-900℃进行2-5小时。发明人经过实践发现，煅烧时间如果太短，Co-ZIFs复合材料骨架结构会继续保持，金属原子不能释放出来，磁性很弱。本发明采用的煅烧温度以及时间能够确保材料形成最佳的结构，从而达到所需性能。
上述的制备方法得到的Co-C-N复合材料，比表面积较大，孔径分布较宽，属于介孔材料。此外该复合材料具有较强磁性，容易回收，是一种较好的磁性吸附剂。
上述的Co-C-N复合材料在废水处理中作为吸附剂的应用。
本发明的有益效果
(1)本发明的制备方法简单易操作，生产效率高；
(2)制备的Co-C-N复合材料在污水处理中作为吸附剂，能够有效吸附废水中的有色物质以及难降解的有机化合物，吸附性能良好，适用范围广；
(3)在吸附进行废水处理后，利用磁石便可以将其从污水中吸附分离出来，进行回收再利用，同样具有磁性的物质即可实现对吸附剂的吸附，从而达到吸附剂与处理后的废水分离的目的，不仅不会带来二次污染，而且还可以降低污水处理成本，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明制备的Co-C-N复合材料的X射线衍射图谱。
具体实施方式
下面通过具体实施方式详细说明本发明。
实施例1
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将3.28g(0.04mol)2-甲基咪唑、2.91g(0.01mol)六水合硝酸钴分别配制溶液，然后混合，在25℃反应2小时，得到Co-ZIFs复合材料；Co-ZIFs复合材料在60℃真空干燥12小时；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在氮气气氛下900℃煅烧5小时，得到Co-C-N复合材料。
上述的Co-C-N复合材料模拟在罗丹明B的废水处理中作为吸附剂的应用，包括以下步骤：
(1)配制100mL的10mg/L罗丹明B溶液；
(2)取100mg Co-C-N复合材料加入到罗丹明B溶液，得到混合溶液；
(3)对混合溶液进行适当搅拌充分混合，吸附实验进行60min。
(4)反应结束后，用磁石对Co-C-N复合材料进行吸附，上清液即为处理出水。对出水适当离心并测试其吸光度。结果如表1所示：
表1
原液吸光度(Abs) 处理后吸光度(Abs) 脱色率
2.163 0.160 92.60％
实施例2
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将4.92g(0.06mol)2-甲基咪唑、2.91g(0.01mol)六水合硝酸钴分别配制溶液，然后混合，在15℃反应6小时，得到Co-ZIFs复合材料；Co-ZIFs复合材料在65℃真空干燥12小时；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在氮气气氛下900℃煅烧2小时，得到Co-C-N复合材料。
上述的Co-C-N复合材料模拟在亚甲基蓝的废水处理中作为吸附剂的应用，包括以下步骤：
(1)配制100mL的10mg/L亚甲基蓝溶液；
(2)取100mg的Co-C-N复合材料加入到亚甲基蓝溶液，得到混合溶液；
(3)对混合溶液进行适当搅拌充分混合，吸附实验进行60min。
(4)反应结束后，用磁石对Co-C-N复合材料进行吸附，上清液即为处理出水。对出水适当离心并测试其吸光度。结果如表2所示：
表2
原液吸光度(Abs) 处理后吸光度(Abs) 脱色率
2.25 0.085 96.06％
实施例3
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将8.2g(0.1mol)2-甲基咪唑、2.91g(0.01mol)六水合硝酸钴分别配制溶液，然后混合，在35℃反应0.5小时，得到Co-ZIFs复合材料；Co-ZIFs复合材料在80℃真空干燥7小时；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在氩气气氛下800℃煅烧5小时，得到Co-C-N复合材料。
上述的Co-C-N复合材料模拟在甲基橙的废水处理中作为吸附剂的应用，包括以下步骤：
(1)配制100mL的10mg/L甲基橙溶液；
(2)取100mg Co-C-N复合材料加入到甲基橙溶液，得到混合溶液；
(3)对混合溶液进行适当搅拌充分混合，吸附实验进行60min。
(4)反应结束后，用磁石对Co-C-N复合材料进行吸附，上清液即为处理出水。对出水适当离心并测试其吸光度。结果如表3所示：
表3
原液吸光度(Abs) 处理后吸光度(Abs) 脱色率
0.689 0.009 97.26％
实施例4
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将4.1g(0.05mol)2-甲基咪唑、2.49g(0.01mol)四水合乙酸钴分别配制溶液，然后混合，在25℃反应4小时，得到Co-ZIFs复合材料；Co-ZIFs复合材料在70℃真空干燥8小时；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在氮气气氛下900℃煅烧3小时，得到Co-C-N复合材料。
上述的Co-C-N复合材料模拟在黄连素的废水处理中作为吸附剂的应用，包括以下步骤：
(1)配制100mL的10mg/L黄连素溶液；
(2)取100mg的Co-C-N复合材料加入到黄连素溶液，得到混合溶液；
(3)对混合溶液进行适当搅拌充分混合，吸附实验进行60min。
(4)反应结束后，用磁石对Co-C-N复合材料进行吸附，上清液即为处理出水。对出水适当离心并测试其吸光度。结果如表4所示：
表4
原液吸光度(Abs) 处理后吸光度(Abs) 脱色率
0.230 0.006 97.84％
实施例5
一种Co-C-N复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将2.72g(0.04mol)咪唑、2.91g(0.01mol)六水合硝酸钴分别配制溶液，然后混合，在25℃反应2小时，得到Co-ZIFs复合材料；Co-ZIFs复合材料在60℃真空干燥12小时；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在氮气气氛下900℃煅烧5小时，得到Co-C-N复合材料。
上述的Co-C-N复合材料模拟在刚果红的废水处理中作为吸附剂的应用，包括以下步骤：
(1)配制100mL的10mg/L刚果红溶液；
(2)取100mg Co-C-N复合材料加入到刚果红溶液，得到混合溶液；
(3)对混合溶液进行适当搅拌充分混合，吸附实验进行60min。
(4)反应结束后，用磁石对Co-C-N复合材料进行吸附，上清液即为处理出水。对出水适当离心并测试其吸光度。结果如表5所示：
表5
原液吸光度(Abs) 处理后吸光度(Abs) 脱色率
0.282 0.016 94.33％
由表1-5可知，通过实施例1-5的复合材料处理后的废水吸光度明显降低，废水中有色化合物的脱色率均在92％以上，说明本发明提供的Co-C-N复合材料具有较高的脱色率。
对本发明制备的Co-C-N复合材料进行X射线衍射测试，结果如图1所示。
由图1可看出，样品在2θ为45.3°、53.8°、77.7°附近处出现明显的衍射峰，分别对应于Co的(111)、(200)、(220)晶面的衍射峰；位于2θ＝25.6°附近的峰则是典型的石墨形貌的碳(002)衍射峰。由于N的含量较低，没有结晶，所以谱图上并没有出现有关N元素的峰。
以上结果表明，本发明制备了Co-C-N复合材料，通过本发明的复合材料的吸附，能够有效减少污水中的有色物质以及有机化合物的含量，在污染废水处理中作为吸附剂具有广阔前景。

Claims (10)

1.一种Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将咪唑类配体、钴盐分别配制为溶液，然后混合，在15-35℃反应0.5-6小时，得到Co-ZIFs复合材料；
(2)将所述Co-ZIFs复合材料在保护气氛下煅烧，得到Co-C-N复合材料。
2.根据权利要求1所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述咪唑类配体与钴盐的摩尔比为10:4-1。
3.根据权利要求1或2所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述咪唑类配体为2-甲基咪唑或咪唑。
4.根据权利要求1或2所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述钴盐为六水合硝酸钴或四水合乙酸钴。
5.根据权利要求1所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，还包括对步骤(1)得到的Co-ZIFs复合材料进行真空干燥。
6.根据权利要求5所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述真空干燥在60-80℃进行7-12小时。
7.根据权利要求1所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氮气或氩气。
8.根据权利要求1所述的Co-C-N复合材料的制备方法，其特征在于，所述煅烧在800-900℃进行2-5小时。
9.权利要求1-8中任一项所述的制备方法得到的Co-C-N复合材料。
10.权利要求9所述的Co-C-N复合材料在废水处理中作为吸附剂的应用。
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