CN111068723A - 一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法及其应用,本发明通过超声与高温热退火的方法将磷元素引入到石墨烯中,制备得到的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料,其中,磷原子可以改善石墨烯的电子分布,增加其缺陷结构和活性位,从而提高催化能力。本发明制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料可以有效地应用于电催化氧化的阳极材料,产生大量的自由基,降解水中难降解有机物。
Description
技术领域
本发明属于催化材料制备技术领域,具体涉及一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法及其应用。
背景技术
高级氧化技术(Advanced Oxidation Processes,AOPs)泛指氧化过程中有大量羟基自由基参与的深度化学氧化过程。高级氧化技术可产生具有强氧化性的羟基自由基(·OH),从而使得许多分子结构稳定、难被微生物降解的有机污染物转化为无毒无害的可生物降解的低分子物质,而且反应产物大部分为CO2、水和无机离子等,无剩余污泥和浓缩物产生,不污染环境。高级氧化技术包括:湿式空气氧化法、超声波氧化法、光催化氧化法、超临界水氧化法、电催化氧化法等等。高级氧化技术的特点有:反应迅速、处理效率高、二次污染小、适用范围广泛、可回收有用物质等。它的这些优点和优势都使其在染料废水的深度处理方面有着较好的应用前景。
上述高级氧化技术中的电催化氧化法相较于常规化学催化法的优点在于电催化氧化法在温和的条件下即可反应,无需调节pH,在反应过程中无需加入试剂。电催化氧化法通过电催化过程中产生的氧化性极强的羟基自由基与废水中的有机物发生加合、取代以及电子转移等转移来使污染物矿化,从而降解染料废水的有机污染物。而且,电催化氧化法还具有易于操作管理、可控程度高、设备集成度高以及占地小等优势,正逐渐成为水污染控制领域的研究热点。
电极是与电解溶液或电解质接触的电子导体或者是半导体,电催化氧化反应主要发生在电极和电解液之间,是电催化氧化体系中的重要组成部分。对于电极的选择,良好的电极应该具备以下的性质:(1)导电性强,(2)稳定性高;(3)催化活性高。不同的电极材料,即使处于相同的反应条件,对污染物的处理的效果也不同。金属作为电极材料,如Pt等,化学性质稳定,导电性好,反应活性强等优点,是最早出现的电极材料。但是由于金属材料在电催化反应中会被损耗,可能出现金属溶出的现象,而且价格昂贵,处理时间较长等原因限制了金属电极的应用。
最近,石墨烯因其独特的二维结构和出色的导电性而被广泛选为优质无金属阳极材料。然而,由于其惰性,石墨烯催化剂在电催化氧化法中的应用受到限制。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷,提供一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法。
本发明的另一目的在于提供过上述磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的应用。
本发明的技术方案如下:
一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将石墨粉、浓度为98%的浓硫酸和硝酸钠混合后,向其中缓慢加入高锰酸钾,于0-5℃以下进行反应20-40min,接着于30-40℃保温反应25-35min,保温反应期间保持匀速搅拌;然后,通过缓慢加入去离子水,使温度达到90-96℃后保温反应30-60min,观察其颜色从青黑色变为棕黄色即可结束反应;
(2)在步骤(1)所得的物料中缓慢加入28-32%过氧化氢,接着用无水乙醇以3000-4000rpm离心洗涤若干次,获得沉淀;
(3)将步骤(2)所得的物料与三苯基膦置于无水乙醇中,进行超声分散剥离1-1.5h,,待自然风干后,于50-70℃下真空干燥6-15h;
(4)在氮气气氛下,将步骤(3)所得的物料于300-700℃煅烧0.5-2h,即得所述磷掺杂石墨烯磷复合催化材料。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(1)为:将石墨粉、浓度为98%的浓硫酸和硝酸钠混合后,向其中缓慢加入高锰酸钾,于0-5℃以下进行反应,接着于30-35℃保温反应25-35min,保温反应期间保持匀速搅拌;然后,通过缓慢加入去离子水,使温度达到93-95℃后保温反应30-60min,观察其颜色从青黑色变为棕黄色即可结束反应
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(1)和(2)中,所述石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水和28-32%过氧化氢的比例为2.0-3.0g∶55-65mL∶1.0-1.5g∶6.0-9.0g∶80-120mL∶15-25mL。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(3)中的三苯基膦为所述步骤(2)所得的物料的量的10-50wt%。
进一步优选的,所述步骤(3)中的三苯基膦为所述步骤(2)所得的物料的量的20wt%。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(3)中的离心的速度为3500-4000rpm。
在本发明的一个优选实施方案中,所述步骤(3)中的真空干燥的时间为6-12h。
在本发明的一个优选实施方案中,所述氮气气氛的流速为0.1-0.13mL/min。
本发明的另一技术方案如下:
上述制备方法制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料在制备电催化氧化法所用的电极中的应用。
本发明的有益效果是:
1、本发明通过超声与高温热退火的方法将磷元素(P)引入到石墨烯(graphene,GN)中,制备得到的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料,其中,磷原子可以改善石墨烯的电子分布,增加其缺陷结构和活性位,从而提高催化能力。
2、本发明制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料可以有效地应用于电催化氧化的阳极材料,产生大量的自由基,降解水中难降解有机物。
3、本发明制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料属于无机非金属材料,不产生二次污染,是一种绿色高效的新型催化材料。
4、本发明制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料在常温、任意pH条件下即能达到反应所需条件,并且不产生二次污染,相比于贵金属电极,造价低廉,催化效果更好。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的磷掺杂石墨烯复合催化材料(P-GN(20%-500℃))的透射电子显微镜照片。
图2是本发明实施例1制备的磷掺杂石墨烯复合催化材料(P-GN)和对比例中不同体系处理水中扑热息痛(APAP)的效果图,其中,(a)为不同磷含量(煅烧温度为500℃);(b)为不同煅烧温度(磷含量为20%)的P-GN对APAP的降解影响([NaCl]:17mm,I:20ma,pH=7)。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
(1)称取2.5g石墨粉加入到装有60mL浓度为98%的浓硫酸的三颈烧瓶中,加入1.25g硝酸钠,再缓慢加入7.5g高锰酸钾,同时控制反应温度在5℃,整个过程控制在30min;接着,将三颈烧瓶置于35℃的恒温水浴中进行30min的中温反应,保持匀速搅拌。然后,通过缓慢加入100mL去离子水,使反应温度达到95℃,再将三颈烧瓶置于恒温油浴搅拌锅中,使高温反应持续30-60min,观察其颜色从青黑色变为棕黄色即可结束反应。
(2)将步骤(1)所得的物料,缓慢加入25mL 30%过氧化氢,并将三颈烧瓶中的混合物转移到烧杯中,用无水乙醇水洗,并用离心机3000rpm离心,倒去上清液,重复2到3次。
(3)在烧杯中,将步骤(2)所得的物料与不同质量分数的三苯基膦(10wt%,20wt%,33wt%,50wt%)加入50mL无水乙醇中,进行超声分散剥离1h,使氧化石墨烯与三苯基膦充分分散混合,接着等待自然风干,再放入真空干燥箱,在60℃条件下真空干燥10-12h。
(4)将步骤(3)所得的物料置于管式炉当中,在流速为0.1-0.13mL/min的氮气气氛下,不同温度(300℃,500℃,700℃)煅烧0.5-2h。对于不同温度和磷掺杂量的材料命名为P-GN(wt%-X℃)。图1为P-GN(20%-500℃)的TEM电镜图。
向反应器中加入200mL含有10mg/L的扑热息痛(APAP)溶液,本实施例制备得到的磷掺杂石墨烯复合催化材料(P-GN)制作成阳极电极,用电催化氧化法降解上述扑热息痛溶液。电催化氧化电流为20mA。在不同时间间隔取样1ml,用高效液相色谱检测残余APAP浓度记为C,C与初始APAP浓度C0的比值作为纵坐标,时间作为横坐标作图,如图2所示。在25℃和pH值为7.2条件下,扑热息痛(APAP)在90min后的降解效率为96%。
对比例
使用实施例1中的相同体系,向反应器中加入200mL含有10mg/L的扑热息痛(APAP)溶液,将未掺杂磷的石墨烯(GN)催化材料制作成阳极电极,用电催化氧化法降解上述扑热息痛溶液。电催化氧化电流为20mA。用高效液相色谱检测处理效果,如图2所示,在25℃和pH值为7.2条件下。扑热息痛(APAP)在90min后的降解效率为48%。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,故不能依此限定本发明实施的范围,即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰,皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (9)
1.一种磷掺杂石墨烯磷复合催化材料的制备方法,其特征在于:包括如下步骤:
(1)将石墨粉、浓度为98%的浓硫酸和硝酸钠混合后,向其中缓慢加入高锰酸钾,于0-5℃以下进行反应20-40min,接着于30-40℃保温反应25-35min,保温反应期间保持匀速搅拌;然后,通过缓慢加入去离子水,使温度达到90-96℃后保温反应30-60min,观察其颜色从青黑色变为棕黄色即可结束反应;
(2)在步骤(1)所得的物料中缓慢加入28-32%过氧化氢,接着用无水乙醇以3000-4000rpm离心洗涤若干次,获得沉淀;
(3)将步骤(2)所得的物料与三苯基膦置于无水乙醇中,进行超声分散剥离1-1.5h,,待自然风干后,于50-70℃下真空干燥6-15h;
(4)在氮气气氛下,将步骤(3)所得的物料于300-700℃煅烧0.5-2h,即得所述磷掺杂石墨烯磷复合催化材料。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)为:将石墨粉、浓度为98%的浓硫酸和硝酸钠混合后,向其中缓慢加入高锰酸钾,于0-5℃以下进行反应,接着于30-35℃保温反应25-35min,保温反应期间保持匀速搅拌;然后,通过缓慢加入去离子水,使温度达到93-95℃后保温反应30-60min,观察其颜色从青黑色变为棕黄色即可结束反应
3.如权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(1)和(2)中,所述石墨粉、浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾、去离子水和28-32%过氧化氢的比例为2.0-3.0g∶55-65mL∶1.0-1.5g∶6.0-9.0g∶80-120mL∶15-25mL。
4.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的三苯基膦为所述步骤(2)所得的物料的量的10-50wt%。
5.如权利要求4所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的三苯基膦为所述步骤(2)所得的物料的量的20wt%。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的离心的速度为3500-4000rpm。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述步骤(3)中的真空干燥的时间为6-12h。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述氮气气氛的流速为0.1-0.13mL/min。
9.权利要求1至8中任一权利要求所述的制备方法制备的磷掺杂石墨烯磷复合催化材料在制备电催化氧化法所用的电极中的应用。
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