CN114849684A - 纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管及其降解四环素的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管及其降解四环素的方法。纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法，包括将金属盐与三聚氰胺溶于溶剂，混合均匀后干燥，得到前驱体，其中，金属盐为含Fe金属盐、含Co金属盐和含Ni金属盐中的一种或多种；在惰性气氛下，将前驱体在700℃~1200℃下热解至反应结束，得到纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。降解四环素的方法包括：将纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管与含四环素的溶液混合，微波照射以降解四环素。本发明方法所制得的Fe、Co和/或Ni纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管催化剂具有良好的微波吸收性能，在微波作用下可以快速、高效地降解四环素，降解率可达99.5%以上。
Description
技术领域
本发明涉及环保技术领域，更具体地讲，涉及一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管及其降解四环素的方法。
背景技术
四环素是人类和动物最常用的抗生素之一，由于它很难被人类和动物吸收，有相当一部分以代谢物的形式排放到环境中。长期接触四环素等抗生素残留物可能会直接导致抗生素耐药基因的产生。此外，四环素等抗生素还可能导致耐药和多重耐药细菌的发展，对人类和动物以及环境都有直接危害。因此，除了在药物中谨慎使用四环素外，如何有效地处理水中四环素是一个亟待解决的问题。
近年来，先进的催化氧化技术越来越受到人们的关注。它利用电、光、超声等诱导催化剂或氧化剂产生具有高氧化活性的自由基来破坏难降解污染物中的共价键，并可与母体和中间产物重复发生反应，导致污染物的广泛降解或矿化。然而，这些技术通常需要很长的处理时间，对反应条件的要求相对较高，投资和运行费用昂贵。因此，开发快速、经济有效的四环素降解方法是很有必要的。
中国专利CN105999609A公开了一种矿物降解四环素的方法，所用催化剂为锰钾矿，能够有效降解四环素，但是，在实际应用中所使用催化剂在回收利用时要通过沉降收集或者过滤收集，会耗费大量时间与人工，增加了运行成本。
中国专利CN109248655A公开了一种磁性碳纳米管的制备及使用方法和应用，所记载的吸附剂能够有效去除水中多种污染物，但是该方法是将有机污染物从一相转移到另一相，容易造成二次污染，而且处理时间长，无法连续操作。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种工艺简单，操作方便，反应时间短，降解效率高，能耗低，且具有良好重复利用性、易于回收催化剂的降解方法。
本发明的一方面提供了一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法，可以包括以下步骤：将金属盐与三聚氰胺溶于溶剂，混合均匀后干燥，得到前驱体，其中，金属盐为含Fe金属盐、含Co金属盐和含Ni金属盐中的一种或多种；在惰性气氛下，将前驱体在700℃～1200℃下热解至反应结束，得到纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
在本发明纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法的一个示例性实施例中，金属盐与三聚氰胺的摩尔比可以为1:(1～20)。
在本发明纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法的一个示例性实施例中，将前驱体可以以2℃/min～5℃/min的加热速度加热至700℃～1200℃。
在本发明纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法的一个示例性实施例中，热解时间可以为2h～5h。
本发明的另一方面提供了一种降解四环素的方法，可以包括以下步骤：将以上所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法所制备得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管与含四环素的溶液混合，微波照射以降解四环素。
在本发明降解四环素的方法的一个示例性实施例中，每升含四环素溶液加入0.5g～2g的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
在本发明降解四环素的方法的一个示例性实施例中，还可以包括调整含四环素溶液中的四环素浓度再与纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管混合，其中，四环素浓度为20mg/L～100mg/L。
在本发明降解四环素的方法的一个示例性实施例中，还可以包括调整含四环素溶液的pH再与纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管混合，其中，pH为2～10。
在本发明降解四环素的方法的一个示例性实施例中，微波照射的功率可以为100W～1000W，照射时间可以为3min～10min。
本发明的再一方面提供了一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管，纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管，呈竹状结构，管径为50nm～500nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包含以下中的至少一项：
(1)本发明方法制备的Fe、Co和/或Ni纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管催化剂，原料来源丰富，制备工艺简单，可进行大规模生产、成本低。
(2)本发明方法所制得的Fe、Co和/或Ni纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管催化剂具有良好的微波吸收性能，在微波作用下可以快速、高效地降解四环素，降解率可达99.5％以上。
(3)本发明降解方法反应条件温和，能耗低、环境友好、可以对废水进行连续处理。
(4)本发明方法所制得的Fe、Co和/或Ni纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管催化剂经5次循环使用后，仍具有85％以上的四环素降解率，可循环使用率高。
(5)本发明的Fe、Co和/或Ni纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管催化剂具有磁性，非常容易利用磁铁进行收集回收，能够避免二次污染。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1为示例1、示例2和示例3分别制得的Fe@NCNT、Co@NCNT和 Ni@NCNT的SEM图；
图2为示例1、示例2和示例3分别制得的Fe@NCNT、Co@NCNT和 Ni@NCNT的XRD图；
图3为示例1、示例2和示例3分别制得的Fe@NCNT、Co@NCNT和 Ni@NCNT的XPS图；
图4为示例2制得的Co@NCNT在不同微波辐射时间下的四环素溶液的全谱图；
图5为本发明示例10不同PH下四环素的降解率；
图6为本发明示例2制得的Co@NCNT催化剂的磁滞回线图；
图7为本发明示例1制得的Fe@NCNT催化剂的5次重复使用效果图；
图8为本发明示例2制得的Co@NCNT催化剂5次重复使用效果图；
图9为本发明示例3制得的Ni@NCNT催化剂5次重复使用效果图；
图10为本发明示例12中硝酸钴与三聚氰胺按不同摩尔比下制得的催化剂的形貌图；
图11为本发明示例12中硝酸钴与三聚氰胺按不同摩尔比下制得的催化剂的降解效果图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管及其降解四环素的方法。
本发明的一方面提供了一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法。在纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法的一个示例性实施例中，制备方法可以包括以下步骤：
S101，将金属盐与三聚氰胺溶于溶剂，混合均匀后干燥，得到前驱体，其中，金属盐为含Fe金属盐、含Co金属盐和含Ni金属盐中的一种或多种；
S102，在惰性气氛下，将前驱体在700℃～1200℃下热解至反应结束，得到纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
以上，在纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备过程中，是以含Fe金属盐、含Co金属盐和/或含Ni金属盐作为Fe、Co和/或Ni源，以三聚氰胺(C3H6N6) 为碳源和氮源，在高温热解后得到。纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管可以是纳米Fe嵌入的氮掺杂碳纳米管(Fe@NCNT)、纳米Co嵌入的氮掺杂碳纳米管(Co@NCNT)、纳米Ni嵌入的氮掺杂碳纳米管(Ni@NCNT)、纳米Fe、 Co嵌入的氮掺杂碳纳米管、纳米Fe、Ni嵌入的氮掺杂碳纳米管、纳米Ni、 Co嵌入的氮掺杂碳纳米管或纳米Fe、Ni、Co嵌入的氮掺杂碳纳米管。由于三聚氰胺是一种用途广泛的基本化工原料，廉价易得，利用其作为氮源和碳源，能够实现大规模的制备纳米离子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
进一步地，通过上述方法制备得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管，其形貌均匀，碳纳米管的平均长度大于1微米，呈现竹节状结构，碳纳米管的管径在50nm～200nm之间，并且纳米离子颗粒嵌入在碳纳米管管壁上，例如，嵌入在碳纳米管的两端或中间。
进一步地，溶剂可以为乙醇或者去离子水等溶剂。
进一步地，含Fe金属盐可以是氯化铁、硝酸铁等含铁金属盐；含Co金属盐可以是硝酸钴；含Ni金属盐可以是硝酸镍。当然，本发明的金属盐不限于此，能够溶于溶剂的含Fe、含Co和/或含Ni金属盐均可。
进一步地，金属盐与三聚氰胺的摩尔比可以为1:(1～20)。若金属盐与三聚氰胺的摩尔比大于1:1，金属源含量较高，纳米颗粒体积较大，从而导致合成的纳米管长度较短、管径粗大不均匀，可能没有纳米管形成；若金属盐与三聚氰胺的摩尔比小于1:20，由于金属源含量过低，在高温下三聚氰胺热解释放的大量碳源与氮源难以及时与金属作用，从而造成大部分碳源与氮源挥发损失，所形成的碳纳米管产量少，而且形状弯曲短小且不均匀，甚至无碳纳米管的形成。例如，金属盐与三聚氰胺的摩尔比可以为1:6、1:11、1:15或 1:19。优选地，金属盐与三聚氰胺的摩尔比为1:5时，所制备的碳纳米管形状、管径均匀、金属粒子很好的嵌入在管壁内，且催化性能最佳。
进一步地，在步骤S101中，干燥的温度可以是40℃～85℃。例如，干燥温度可以为50℃、72℃或者80℃。
进一步地，前驱体可以以2℃/min～5℃/min的加热速率加热至700℃～1200 ℃。在2℃/min～5℃/min的加热速率下，金属纳米粒子大小基本一致，碳纳米管形貌、管径更均匀。若加热速率小于2℃/min，生产效率低下，不符合实际生产需要；加热速率大于5℃/min，金属纳米粒子易团聚长大造成粒子粒径大小不一，从而使碳纳米管形貌不均匀。例如，可以在3℃/min的加热速率下加热至800℃。
进一步地，在700℃～1200℃的温度下进行热解能够使形成的碳纳米管形貌均匀。若温度低于700℃，碳纳米管难以生成；若高于1200℃，生产成本增加，对实际生产不利。优选地，热解温度为800℃，此时形成的碳纳米管的形貌最为均匀。
进一步地，热解的时间可以为2h～5h。例如，热解的时间可以为3h。
本发明的另一方面提供了一种降解四环素的方法。在本发明降解四环素的方法的一个示例性实施例中，可以包括以下步骤：
将上述步骤S102制备得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管与含四环素的溶液混合，施加微波对混合后的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管与含四环素的溶液进行照射以降解四环素。
以上，本发明上述方法所得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管具有独特的竹状结构、掺杂氮相关的结构缺陷密度以及金属纳米颗粒与石墨层之间的协同效应，在微波作用下，纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管具有很好的吸收微波性能，可以作为催化剂应用于微波催化氧化降解水中的四环素等有机污染物。
进一步地，含四环素的溶液pH可以为2～10。优选地，pH可以为4-8。例如，pH为7。对于含四环素的溶液中的四环素浓度可以任意取值，即本发明降解方法适用于任意浓度的四环素溶液。
进一步地，每升含四环素溶液加入0.5g～2g的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。例如，纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管的加入量可以为1.5g/L。
进一步地，微波照射的功率可以为100W～1000W。这里的微波照射功率与本发明的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管相互配合，能够使纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管更好地吸收微波，提高降解的效率和降低降解时间。例如，微波照射的功率可以为130W～650W。照射时间可以为3min～10min。在上述微波和照射时间下，可以实现在较短的照射时间下，实现较大的降解率，降解率可以达到99.5％以上。例如，对于20mg/L四环素溶液，微波照射的功率可以为254W，照射时间可以为10min。再例如，微波照射的功率可以为520W，照射时间可以为5min。
本发明的再一方面提供了一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。在本发明纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管的一个示例性实施例中，纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管形貌均匀、平均长度超过1微米且具有典型竹节状，管径在 50nm～200nm之间，金属纳米颗粒嵌入在纳米管尖端和中间。例如，平均长度超过5微米，管径在80nm～1750nm之间。
为了更好地理解本发明的上述实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。
示例1
步骤1，硝酸铁与三聚氰胺(C3H6N6)按摩尔比1:5溶于乙醇溶液中，搅拌混合均匀，干燥后得到前驱体，在惰性气氛下，以升温速率2℃/min将前驱体在800℃下保温热解3h，热解结束后冷却得到Fe@NCNT。
步骤2，在100mL的pH为7、浓度为20mg/L四环素水溶液中加入 Fe@NCNT催化剂150mg，在微波功率520W作用下分别辐射1min、2min、 3min、4min、5min、6min。
步骤3，采用紫外分光光度计测定不同时间下的水溶液中四环素剩余浓度，全谱波长选择200nm～800nm，取357nm处的吸光度计算四环素的降解率。
示例2
步骤1，硝酸钴与三聚氰胺(C3H6N6)按摩尔比1:5溶于乙醇溶液中，搅拌混合均匀，干燥后得到前驱体，在惰性气氛下，以升温速率2℃/min将前驱体在800℃下保温热解3h，热解结束后冷却得到Co@NCNT。
步骤2，在100mL的pH为7、浓度为20mg/L四环素水溶液中加入 Co@NCNT催化剂150mg，在微波功率520W作用下分别辐射1min、2min、3min、4min、5min、6min。
步骤3，采用紫外分光光度计测定不同时间下的水溶液中四环素剩余浓度，全谱波长选择200nm～800nm，取357nm处的吸光度计算四环素的降解率。
示例3
步骤1，硝酸镍与三聚氰胺(C3H6N6)按摩尔比1:5溶于乙醇溶液中，搅拌混合均匀，干燥后得到前驱体，在惰性气氛下，以升温速率2℃/min将前驱体在800℃下保温热解3h，热解结束后冷却得到Ni@NCNT。
步骤2，在100mL的pH为7、浓度为20mg/L四环素水溶液中加入 Ni@NCNT催化剂150mg，在微波功率520W作用下分别辐射1min、2min、 3min、4min、5min、6min。
步骤3，采用紫外分光光度计测定不同时间下的水溶液中四环素剩余浓度，全谱波长选择200nm～800nm，取357nm处的吸光度计算四环素的降解率。
上述示例1～3中的四环素降解率按以下方法测定：
将微波辐射反应后的水溶液经孔径0.22μm尼龙滤膜过滤，采用紫外分光光度计测定水溶液中四环素剩余浓度，降解率用下式计算：
降解率(％)＝(C0－Ct)/C0×100％；
其中，C0为四环素溶液的初始浓度(mg/L)，Ct为四环素溶液的剩余浓度 (mg/L)。
图1为示例1、2和3分别制备得到的Fe@NCNT、Co@NCNT和 Ni@NCNT催化剂的扫描电镜图。从图中可以看出，催化剂呈竹节状结构，其金属粒子均封装在竹节状的碳纳米管内或嵌入在竹节状的碳纳米管壁上。图2为示例1、2和3所制得的催化剂的XRD图，可以看出Fe、Co、Ni和石墨碳的存在。图3为示例1、2和3所制得的催化剂的XPS图，表明氮元素很好地掺杂到碳纳米管上。图4为示例2不同微波辐射时间下的四环素溶液的全谱图，可以看出，在微波辅助作用下，水体中的四环素可以快速地被降解。
表1不同微波辐射时间下的降解率
表1可见，在微波作用下，随着时间增加，四环素的降解程度快速增高，微波辐射3min时，四环素降解率达到90％以上；辐射6min时，降解率高达 99.5％。
示例4
其他与示例1相同，仅是Fe@NCNT催化剂的加入量分别为50mg、100mg、 200mg、250mg。
示例5
其他与示例2相同，仅是Co@NCNT催化剂的加入量分别为50mg、100mg、 200mg、250mg。
示例6
其他与示例3相同，仅是Ni@NCNT催化剂的加入量分别为50mg、100mg、 200mg、250mg。
示例4～示例6的降解率如下表2所示。
表2不同催化剂用量下的降解率
表2可见，随着催化剂用量增加，四环素的降解率相应增加，当继续增加催化剂用量，催化剂含量对降解率影响不大，因此，优选地，催化剂的使用量为每升含四环素的溶液中添加1.5g的催化剂。
示例7
其他与示例1相同，仅是含四环素溶液的四环素浓度分别为20mg/L、 40mg/L、60mg/L、80mg/L和100mg/L。
示例8
其他与示例2相同，仅是含四环素溶液的四环素浓度分别为20mg/L、 40mg/L、60mg/L、80mg/L和100mg/L。
示例9
其他与示例3相同，仅是含四环素溶液的四环素浓度分别为20mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L和100mg/L。
示例7～示例9中不同四环素浓度的降解率如表3所示。
表3不同四环素溶液浓度下的降解率
表3可以看出，在微波作用下，该催化剂对不同初始浓度都有很高的降解率。
示例10
其他与示例2相同，仅是将含四环素溶液的pH调增为2、3、4、5、6、 8、9、10。
不同pH下的降解率如图5所示。从图5可以看出，在微波作用下，该催化剂在pH为4-8下具有99％以上的降解率，在pH为2-4和pH为8-10仍具有85％以上的降解率，说明该催化剂可以在较宽的pH范围下降解四环素，优选地，含四环素溶液的pH为4-8。
示例11
分别对示例1、2和3降解完成后的Fe@NCNT、Co@NCNT和Ni@NCNT 进行磁性回收，清洗干净后再重复进行5次试验，其试验的参数条件均分别与示例1、2和3所记载的条件相同。
图6为Co@NCNT催化剂的磁滞回线以及利用磁铁进行回收的简易过程，可以看出，本实施例中的催化剂具有良好的磁性，采用磁铁就可以快速进行固液分离实现对催化剂的回收再利用。
图7、图8和图9分别为催化剂5次循环的使用效果，其中图中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表示循环次数，图中可以看出，该催化剂在第5次使用中，Fe@NCNT、 Co@NCNT、Ni@NCNT三种催化剂仍具有85％以上的降解率。
示例12
步骤1，硝酸钴与三聚氰胺(C3H6N6)分别按摩尔比5:1、1:1、1:5、1:20 溶于乙醇溶液中，搅拌混合均匀，干燥后得到前驱体，在惰性气氛下，以升温速率2℃/min将前驱体在800℃下保温热解3h，热解结束后，冷却得到不同成分含量的Co@NCNT。
步骤2，在100mL的pH为7、浓度为20mg/L四环素水溶液中加入不同比例的Co@NCNT催化剂150mg，在微波功率520W作用下分别辐射6min。
步骤3，采用紫外分光光度计测定不同时间下的水溶液中四环素剩余浓度，全谱波长选择200nm～800nm，取357nm处的吸光度计算四环素的降解率。
图10为硝酸钴与三聚氰胺按不同摩尔比下制得的催化剂的形貌，可以看出，5:1下形成的是金属离子团簇，无碳纳米管的形成；1:1下形成的碳纳米管形状短小、管径不均，且有很多裸露在管壁外面的金属粒子；1:5下制备的碳纳米管形状、管径均匀、金属粒子很好的嵌入在管壁内，催化性可以达到最佳；1:20下由于金属源含量低，在高温下三聚氰胺热解释放的大量碳源与氮源难以及时与金属作用，从而造成大部分碳源与氮源挥发损失，所形成的碳纳米管产量少、而且形状弯曲短小不均匀。因此，金属盐与三聚氰胺的摩尔比设置为1:(1～20)。
图11为硝酸钴与三聚氰胺按不同摩尔比下制得的催化剂的降解效果，可以看出，1:5的降解的降解性能最好，1:1和1:20的性能次之，5:1的性能最差。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。
Claims (10)
1.一种纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将金属盐与三聚氰胺溶于溶剂，混合均匀后干燥，得到前驱体，其中，金属盐为含Fe金属盐、含Co金属盐和含Ni金属盐中的一种或多种；
在惰性气氛下，将前驱体在700℃~1200℃下热解至反应结束，得到纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
2.根据权利要求1所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法，其特征在于，金属盐与三聚氰胺的摩尔比为1:(1~20)。
3.根据权利要求1或2所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法，其特征在于，将前驱体以2℃/min~5℃/min的加热速率加热至700℃~1200℃。
4.一种降解四环素的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将权利要求1至3中任意一项所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法制备得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管与含四环素的溶液混合，微波照射以降解四环素。
5.根据权利要求4所述的降解四环素的方法，其特征在于，每升含四环素的溶液加入0.5g~2g纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
6.根据权利要求4或5所述的降解四环素的方法，其特征在于，微波照射的功率为100W~1000W，照射时间为3min~10min。
7.根据权利要求4或5所述的降解四环素的方法，其特征在于，还包括调整含四环素溶液中的四环素浓度再与纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管混合，其中，四环素浓度为20mg/L~100mg/L。
8.根据权利要求4或5所述的降解四环素的方法，其特征在于，还包括调整含四环素溶液的pH再与纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管混合，其中，pH为2~10。
9.一种权利要求1至3中任意一项所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管制备方法制备得到的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管。
10.根据权利要求9所述的纳米粒子嵌入的氮掺杂碳纳米管，其特征在于，呈竹状结构，管径为50nm~500nm。
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| CN115518667B (zh) * | 2022-10-10 | 2023-12-08 | 辽宁大学 | 一种封装Fe/Fe3C的氮掺杂碳纳米管接枝微米棒1D/1D吸波材料及其应用 |
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| CN114849684B (zh) | 2023-09-05 |
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