CN111790422B - 一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe0催化剂及其合成方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨化基氮络合的Fe(III)‑Fe⁰催化剂及其合成方法和应用。本发明以石墨烯作为基底，2‑甲基咪唑和锌盐作为金属有机框架前驱体，纳米四氧化三铁作为铁源，聚乙烯吡咯烷酮作为黏合剂，通过原位掺杂的焙烧过程合成目标催化剂。该催化剂可应用于双酚A、2‑氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、布洛芬、苯妥英和2,4‑二氯苯氧乙酸等有机污染物的催化降解。

Description

一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe0催化剂及其合成方法和 应用

技术领域

本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种石墨化基氮络合的 Fe(III)-Fe⁰催化剂及其合成方法和应用。

背景技术

随着城市化和工业化的快速发展，有毒物质不断释放到水体中所引起的环境污染问题已成为世界的焦点问题。各种污染物，如工业染料、药品和农用化学品广泛存在于废水、河流和地下水中，它们能够直接或间接地影响动物甚至人类健康。由于这些新型有机污染物成分复杂，具有难降解性、持久性和毒性，利用传统的污水处理技术难以将其有效去除。

高级氧化技术，包括芬顿催化氧化、过硫酸盐活化、光催化、催化臭氧化等，作为一种新兴的污水处理技术，因其能活化氧化剂(过氧化氢、过硫酸盐、臭氧等)产生具有强氧化性的活性氧自由基，在污水处理中取得显著的成效而受到人们的广泛关注和研究，被公认为去除水体难生物降解有机污染物最强有力的手段。然而，活化这些氧化剂常需要用到光辅助、声辅助、电辅助等方式，造成大量外能的消耗和大于当量比的氧化剂的消耗。以芬顿催化氧化技术为例，研究表明，为用于污水处理，H₂O₂的全球产量预测超过220万吨/年，并且以4％的增长率持续增长，这些都极大地增加了污水处理成本，阻碍了高级氧化水处理技术的实际应用。

近年来，学者研究发现，通过构建催化剂表面微电场形成极化中心，能有效利用污染物的电子供给氧化剂定向还原产生具有强氧化性的羟基自由基，不仅在很大程度上提高了污水处理效率，也减少了氧化剂的过度消耗。在这个极化双反应体系中，污染物作为电子供体，而氧化剂则作为电子受体不断捕获消耗电子，促进整个反应体系的电子循环和污染物降解进程，电子被俘获是反应进行的关键步骤。受这些研究的启发，本发明通过金属与有机物之间的巧妙络合，制备出石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂，不仅通过金属与有机物的化学配位极大降低了污水处理中对污染物降解所需的能耗，在常温下便能取得优异的降解效果；并且在反应体系中无需额外投加氧化剂，仅仅利用氧气的电子捕获能力即能推动整个体系的电子循环，真正意义上实现了以有机污染物的能量去彻底矿化去除有机污染物，极大降低了污水处理成本，这对污水处理技术的发展及工业化应用具有重大的实际借鉴意义。

发明内容

本发明的首要目的在于提供一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰的催化剂的合成方法。该方法以石墨烯作为基底，2-甲基咪唑和硝酸锌六水合物作为金属有机框架前驱体，纳米四氧化三铁作为铁源，聚乙烯吡咯烷酮作为黏合剂，通过原位掺杂的焙烧过程合成目标催化剂。

本发明的另一目的在于提供根据上述方法制备得到石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂。

本发明的另一目的在于提供上述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂在双酚A、2-氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、布洛芬、苯妥英和2,4-二氯苯氧乙酸等有机污染物催化降解中的应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:

一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，包括以下步骤：

(1)将纳米四氧化三铁加入甲醇中形成分散液A；

(2)将2-甲基咪唑和分散液A加入甲醇中，形成溶液A；

(3)将锌盐和聚乙烯吡咯烷酮溶于甲醇-氧化石墨烯溶液中，形成溶液B；

(4)将溶液A与溶液B混合，搅拌均匀后于室温下老化；

(5)将步骤(4)得到的老化后的混合溶液离心获得固体产物A，将所得固体产物A用乙醇清洗后烘干；

(6)将烘干的固体产物A置于管式炉中于N₂氛围下焙烧，自然降温后获得所述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂。

本发明的室温为20～30℃。

本发明的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的结构中，还原石墨烯与石墨化的金属有机框架ZIF-8之间形成Zn-O键桥，该复合有机聚合物与Fe(III)之间通过吡咯氮形成化学配位键，负载在纳米零价铁(Fe⁰)的表面。这样，基于金属-有机物之间的σ-π键的电子传输特性，在rGO-石墨化ZIF-8吡咯氮络合Fe(III)-Fe⁰表面有更多的电子集中于Fe⁰的铁原子周围，同时在rGO-石墨化ZIF-8表面形成电子低密度区。水中的有机污染物将化学吸附在电子低密度区域。利用rGO- 石墨化ZIF-8的电子传输的作用，有机物的电子通过分子轨道强相互作用传输到Fe⁰的区域，并由水中的氧分子或Fe³⁺俘获，从而使水中有机物得到降解，这样一个催化体系可以在常温条件下实现含有机物的废水的净化。

2-甲基咪唑的添加量的不同会影响催化剂制备过程金属有机框架的形成完整程度，进一步地，步骤(2)中，所述2-甲基咪唑的添加量为0.0243～0.0487mol，优选为0.0370mol，有利于提高金属有机框架的形成完整程度。

进一步地，所述分散液A的添加量为5～30ml，且分散液A中纳米四氧化三铁的浓度为0.0183～0.110g/ml。当所加入的分散液A 的添加量＜10mL时，铁物种的掺杂量过低，所合成的目标催化剂 (Fe_x/GZIF-8-rGO)催化活性较差；当所加入的分散液A的体积＞ 10mL时，铁物种的掺杂量过高，所合成的目标催化剂 (Fe_x/GZIF-8-rGO)较为蓬松，外观略呈毛刺状，催化剂活性偏低且反应过程铁物种易脱落，溶出较多；当所加入的分散液A的体积＝10mL时，活性铁物种能均匀掺杂到ZIF-8金属有机框架中并与之发生键连，所合成的目标催化剂(Fe_x/GZIF-8-rGO)对污染物的催化降解活性及适应性最好。

进一步地，所述甲醇的添加量为40～80ml，优选60mL。

本发明的纳米四氧化三铁可通过市购获得，也可以通过以下方法制备得到：

(1.1)将铁源和碳酸氢钠溶于去离子水中，形成溶液C；

(1.2)将抗坏血酸溶于去离子水中，形成溶液D；

(1.3)将溶液C与溶液D混合搅拌均匀，转至高压反应釜，于烘箱中进行水热反应；

(1.4)取出高压反应釜，待自然冷却后，将所得固体产物B过滤并用甲醇清洗干净后，得到纳米四氧化三铁。

进一步地，所述铁源为氯化铁六水合物、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种。

进一步地，铁源中铁离子与碳酸氢钠的摩尔比为1:5～1:1.5，优选1:3。

进一步地，所述抗坏血酸的添加量为0.0005～0.0015mol，优选 0.001mol。

进一步地，所述水热反应的温度为100～180℃，优选为150℃；水热反应的时间为4～10h，优选为8h。

进一步地，步骤(3)中，所述锌盐的添加量为0.0025～0.0041mol，优选0.0027mol；所述锌盐包括硝酸锌六水合物、醋酸锌、硫酸锌中的至少一种，优选为硝酸锌六水合物，使用硝酸锌六水合物为锌源所合成的金属有机框架晶体形状最好。

进一步地，步骤(4)中，搅拌的时间为4～24h，优选6h；老化的时间为24～96h，优选48h。

进一步地，步骤(5)中，烘干的温度为40～80℃，优选60℃。

进一步地，步骤(6)中，焙烧的温度为600～900℃，焙烧的时间为1～4h，升温速率为2～10℃/min。升温速率过快会导致催化剂表面Fe物种迅速团聚，并且金属有机框架碳化速度过快，所得催化剂成品表面活性物种分布不均匀；而缓慢升温，利于逐渐去除Fe_x/GZIF-8-rGO固体产物中的微量吸附水，使其表面的金属Fe物种得以分散变性，并均匀地掺杂到载体骨架中，催化剂成品柔软、均匀，呈墨黑色。

本发明还提供了根据上述方法制备得到石墨化基氮络合的 Fe(III)-Fe⁰催化剂。

本发明还提供了一种污水处理剂，包括上述的石墨化基氮络合的 Fe(III)-Fe⁰催化剂。

本发明还提供了上述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的应用，所述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂用于处理污水中的有机污染物，所述的有机污染物包括双酚A、2-氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、苯妥英、2,4-二氯苯氧乙酸、布洛芬中的至少一种。

本发明对于现有技术具有如下优点及效果：

(1)本发明的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂无需苛刻的 pH反应条件(pH＝2～3)，在中性条件下对难降解有机污染物即表现出优异的催化降解活性。

(2)本发明的催化剂在反应过程中无需额外投加氧化剂，有机物通过催化剂的协调作用失去电子实现有机污染降解，有效避免了因氧化剂的加入而引起的如金属离子溶出大等二次污染的问题。

(3)本发明的催化剂对各种有机污染物表现出很强的适应性。

(4)本发明的催化剂在去除有机污染物的过程中具有很好的稳定性。

(5)本发明的催化剂属于固体催化剂，便于与水分离，回收循环利用。

附图说明

图1为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的SEM图；

图2为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的Fe 2p XPS谱图；

图3为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的常温穆斯堡尔谱图；

图4为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO对于BPA、2-CP、CIP、 2,4-D、PHT、DP和IBU的降解曲线图；

图5为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO对于BPA、2-CP、CIP、 2,4-D、PHT、DP和IBU的TOC降解图；

图6为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO重复实验活性评价图。

图7为实施例1-6制得的Fe_x/GZIF-8-rGO催化剂对BPA的催化降解效果。

具体实施方式

为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法，包括如下步骤：

(1)在纳米四氧化三铁中加入20mL甲醇形成分散液A备用；

(2)将3g 2-甲基咪唑和10mL分散液A加入60mL甲醇中，形成溶液A，分散液A中纳米四氧化三铁的浓度为0.0366g/mL；

(3)将0.0027mol硝酸锌六水合物和0.9g聚乙烯吡咯烷酮溶于 60mL甲醇-氧化石墨烯溶液中，形成溶液B；

(4)将溶液A与溶液B混合，持续磁力搅拌6h于室温下老化 48h；

(5)将步骤(4)中老化后的溶液离心获得固体产物A，将所得固体产物A用乙醇清洗后置于60℃烘箱中烘干；

(6)将烘干的固体产物A置于管式炉中于N₂氛围下焙烧，焙烧的升温速率为5℃/分钟，升温至700℃保持2h，自然降温后获得本发明的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰(Fe_x/GZIF-8-rGO)。

其中，本实施例的纳米四氧化三铁的制备方法为：

(1.1)将0.0060mol三氯化铁六水合物和0.0181mol碳酸氢钠溶于去离子水中形成溶液C；

(1.2)将0.176g抗坏血酸溶于去离子水中形成溶液D；

(1.3)将溶液C与溶液D混合搅拌均匀，转至高压反应釜，于 150℃烘箱中水热反应8h；

(1.4)取出高压反应釜，待自然冷却后，将所得固体产物B过滤并用甲醇清洗干净后，得到纳米四氧化铁。

实施例2

本实施例的Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法基本与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中，本实施例的分散液A的添加量为5mL。

实施例3

本实施例的Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法基本与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中，本实施例的分散液A的添加量为15mL。

实施例4

本实施例的Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法基本与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中，本实施例的分散液A的添加量为20mL。

实施例5

本实施例的Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法基本与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中，本实施例的分散液A的添加量为25mL。

实施例6

本实施例的Fe_x/GZIF-8-rGO的合成方法基本与实施例1相同，不同之处在于，步骤(2)中，本实施例的分散液A的添加量为30mL。

实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的结构表征：

图1为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的SEM图。从图中可以看出Fe_x/GZIF-8-rGO具有层状的石墨烯结构，石墨烯上面均匀生长出典型的六边体外观的ZIF-8金属有机框架，其粒径大小为100～ 300nm。

图2为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的Fe 2p XPS谱图。从图中可以看出Fe_x/GZIF-8-rGO表面的铁物种是以Fe⁰、Fe²⁺和Fe³⁺形式共存的，通过分峰拟合可以计算出Fe_x/GZIF-8-rGO表面三种价态铁物种的比例为18:45:29。

图3为实施例1制得的Fe_x/GZIF-8-rGO的常温穆斯堡尔谱图。从图中可以进一步看出Fe_x/GZIF-8-rGO中含有α-Fe、γ-Fe、Fe₃C、 Fe_2+xN和Fe_xC_y等物种，这与XPS的测试结果是相对应的。

表1

表1为Fe_x/GZIF-8-rGO的Fe K阶EXAFS振荡数值拟合结果。Fe_x/GZIF-8-rGO显示出键长为2.53，配位数为3.4的Fe-Fe壳层和键长为2.44，配位数为2.0的Fe-O壳层，证实Fe_x/GZIF-8-rGO中铁氧化物的存在。除此之外，还观测到了一个Fe-N壳层，其键长为1.3，配位数为3.3，这证实了Fe掺杂到了ZIF-8框架之中，形成了Fe-N 键。

应用实验：

将0.03g实施例1制备的Fe_x/GZIF-8-rGO试样投入50mL浓度为10mg L^-1的污染物溶液中，在保持中性的反应条件下，恒温35℃，持续磁力搅拌开始降解反应，在不同的时间点取样并检测其中污染物的浓度。

图4、图5和图6分别为实施例1的Fe_x/GZIF-8-rGO在中性条件下对不同污染物的降解曲线图、TOC降解图以及重复实验活性评价图。从图4和图5中可以看出，在未投加氧化剂的情况下，120分钟内，Fe_x/GZIF-8-rGO能几乎将双酚A(BPA)和2-氯苯酚(2-CP)降解完毕，对环丙沙星(CIP)、苯妥英(PHT)、布洛芬(IBU)、2,4- 二氯苯氧乙酸(2,4-D)和苯海拉明(DP)的去除率也均在40％以上，其降解污染物过程对应的TOC去除率也在15％～67％之间，说明Fe_x/GZIF-8-rGO具有较好的催化降解活性和对污染物的高度适应性。从图6中可以看出，连续运行6次后，Fe_x/GZIF-8-rGO对双酚A的去除率仍保持在85％以上，并且在整个反应过程中铁的释放量很少，低于0.18mg/L，这些结果都充分说明Fe_x/GZIF-8-rGO具有很好的稳定性。

分别将等量的实施例1-6制备的Fe_x/GZIF-8-rGO试样投入50mL 10mg L^-1的BPA溶液中，在保持中性的反应条件下，恒温35℃，持续磁力搅拌开始降解反应，在不同的时间点取样并检测其中BPA的浓度。

图7为实施例1-6的Fe_x/GZIF-8-rGO对BPA的催化降解效果。当所加入的分散液A的体积＜10mL时，铁物种的掺杂量过低，所合成的Fe_x/GZIF-8-rGO催化活性较差；此外，试验发现，当所加入的分散液A的体积＞10mL时，铁物种的掺杂量过高，催化剂活性偏低；当所加入的分散液A的体积＝10mL时，活性铁物种能均匀掺杂到 ZIF-8金属有机框架中并与之发生键连，所合成的目标催化剂 (Fe_x/GZIF-8-rGO)对污染物的催化降解活性及适应性最好。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将纳米四氧化三铁加入甲醇中形成分散液A；

(2)将2-甲基咪唑和分散液A加入甲醇中，形成溶液A；

(3)将锌盐和聚乙烯吡咯烷酮溶于甲醇-氧化石墨烯溶液中，形成溶液B；

(4)将溶液A与溶液B混合，搅拌均匀后于室温下老化；

(5)将步骤(4)得到的老化后的混合溶液离心获得固体产物A，将所得固体产物A用乙醇清洗后烘干；

(6)将烘干的固体产物A置于管式炉中于N₂氛围下焙烧，自然降温后获得所述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂。

2.如权利要求1所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，步骤(2)中，所述2-甲基咪唑的添加量为0.0243～0.0487mol；所述分散液A的添加量为5～30ml，且分散液A中纳米四氧化三铁的浓度为0.0183～0.110g/ml；所述甲醇的添加量为40～80ml。

3.如权利要求1或2所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，所述纳米四氧化三铁的制备方法包括以下步骤：

(1.1)将铁源和碳酸氢钠溶于去离子水中，形成溶液C；

(1.2)将抗坏血酸溶于去离子水中，形成溶液D；

(1.3)将溶液C与溶液D混合搅拌均匀，转至高压反应釜，于烘箱中进行水热反应；

(1.4)取出高压反应釜，待自然冷却后，将所得固体产物B过滤并用甲醇清洗干净后，得到纳米四氧化三铁。

4.如权利要求3所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，包括如下(a)-(d)项中的至少一项：

(a)所述铁源为氯化铁六水合物、硝酸铁、硫酸铁中的至少一种；

(b)铁源中铁离子与碳酸氢钠的摩尔比为1:5～1:1.5；

(c)所述抗坏血酸的添加量为0.0005～0.0015mol；

(d)所述水热反应的温度为100～180℃，水热反应的时间为4～10h。

5.如权利要求1所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，步骤(3)中，所述锌盐的添加量为0.0025～0.0041mol，所述锌盐包括硝酸锌六水合物、醋酸锌、硫酸锌中的至少一种。

6.如权利要求1所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，包括如下(e)-(f)项中的至少一项：

(e)步骤(4)中，搅拌的时间为4～24h，老化的时间为24～96h；

(f)步骤(5)中，烘干的温度为40～80℃。

7.如权利要求1所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的合成方法，其特征在于，步骤(6)中，焙烧的温度为600～900℃，焙烧的时间为1～4h，升温速率为2～10℃/min。

8.一种石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂，其特征在于，由权利要求1～7任一项所述的合成方法制得。

9.一种污水处理剂，包括如权利要求8所述的石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂。

10.一种如权利要求8所述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂的应用，其特征在于，所述石墨化基氮络合的Fe(III)-Fe⁰催化剂用于处理污水中的有机污染物，所述的有机污染物包括双酚A、2-氯苯酚、环丙沙星、苯海拉明、苯妥英、2,4-二氯苯氧乙酸、布洛芬中的至少一种。

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