CN116265098A - 一种以MXene为载体负载钴的催化材料及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种以MXene为载体负载钴的催化材料,所述催化材料以单层Ti3C2纳米材料为载体,金属活性位点Co接枝在载体上,多孔氧化硅包裹在载体上,金属活性位点Co通过多孔氧化硅上的通孔与外部反应物接触。本发明还公开了上述以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:将Ti3C2分散液均匀滴加于CTAC和TEA的混合溶液中,室温下充分混合,再往混合物料中依次加入二价钴盐和TEOS,将反应物料置于高温油浴中反应,反应后离心、洗涤、干燥;将干燥后的固态物置于惰性气氛中热处理,得到Co‑Ti3C2@pSiO2催化材料。
Description
技术领域
本发明涉及一种以MXene为载体负载钴的催化材料,还涉及上述催化材料的制备方法。
背景技术
城市工业化使大量难降解的有机废水流入自然环境中,这些难降解的有机物包括染料、抗生素、酚类、醛类、药物类和激素类等。这其中很大一部分有机物都是难降解的,废水有机物的特点为:浓度高、成分复杂、有强酸碱性及毒性,不能自行生物降解。如果不能对其有效的处理,将会对人类健康造成危害。目前去除废水中有机污染物应用比较广泛的方法有:活性污泥法、吸附法、微生物降解法、化学氧化法及膜分离法等。然而,这些方法仍然存在局限性。高级氧化技术(AOPs)可将有机污染物矿化为CO2和H2O,这种优势有望实现高效去除废水中的有机污染物。
MXene是一种新型的二维(2D)纳米材料,是由过渡金属碳化物、氮化物或者碳氮化物几个原子层组成的材料,这种材料类似于石墨烯层状材料,在2011年首次报道,分子通式为Mn+1XnTx(n=1~3),M是过渡金属,X是碳和/或氮,T是表面官能团。MXene纳米材料广泛应用在储能和转化、传感器、电磁屏蔽和生物医学等领域。MXene作为2D材料的一个家族,因其独特的层状结构、亲水性强和催化活性高的特点,在废水处理研究领域受到越来越多的关注。Co2+在激活PMS的AOPs过程中表现出优异的性能,但均相催化剂中的金属离子易造成二次污染,非均相催化剂可以有效改善这种问题。因此开发制备高效非均相催化剂对于解决紧迫的环境污染问题具有重要的意义。
发明内容
发明目的:本发明目的旨在提供一种以MXene为载体负载钴的催化材料,还提供上述催化材料的制备方法,该催化材料一方面能够有效避免金属离子在液相反应过程中的溶出,另一方面能够实现金属活性位点在载体上呈高度分散的状态,从而大幅提高催化剂的催化活性。
技术方案:本发明所述的以MXene为载体负载钴的催化材料,所述催化材料以单层Ti3C2纳米材料为载体,金属活性位点Co接枝在载体上,多孔氧化硅包裹在载体上,金属活性位点Co通过多孔氧化硅上的通孔与外部反应物接触。
其中,Co的负载量为催化材料质量的1.9~5.9%。
上述以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)将Ti3C2分散液均匀滴加于CTAC(十六烷基三甲基氯化铵)和TEA(三乙醇胺)的混合溶液中,室温下充分混合,再往混合物料中依次加入二价钴盐和TEOS(四乙氧基硅烷),将反应物料置于高温油浴中反应,反应后离心、洗涤、干燥;
(2)将干燥后的固体产物置于惰性气氛中热处理,得到Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
在反应体系中,CTAC为形成多孔二氧化硅的模板,在高温(80℃)下,TEOS水解生成的二氧化硅生长在CTAC上,热处理过程中CTAC模板去除,从而形成多孔二氧化硅;TEA提供弱碱性环境,促进TEOS水解,使反应物料的pH值为8~9。同时热处理过程中,二价钴盐分解,金属活性位点Co在高温下与载体连接。
其中,步骤(1)中,混合溶液中,CTAC水溶液与TEA的加入体积比为45~50:1;CTAC水溶液中,CTAC的质量浓度为10~12%;Ti3C2分散液与混合溶液的加入体积比为1:0.92~1.02;Ti3C2分散液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1。
其中,步骤(1)中,Ti3C2、二价钴盐和TEOS的加入摩尔比6.2:13.2~52.8:1。
其中,步骤(1)中,所述二价钴盐为六水合硝酸钴。
其中,步骤(1)中,油浴温度为80~85℃,油浴时间为1~2h。
其中,步骤(1)中,所述干燥为冷冻干燥,冷冻干燥的温度为-40~-80℃,干燥时间为12~48h。冷冻干燥能够避免分散好的金属粒子再次团聚。
其中,步骤(2)中,热处理温度为350~360℃,热处理时间为2~6h。
Ti3C2材料表面含有大量的羟基、羧基亲水性官能团,Ti3C2材料通过活性基团与金属活性位点Co连接,多孔氧化硅把连接在Ti3C2上的金属钴限域在Ti3C2和多孔氧化硅之间,阻止金属活性位点Co在反应过程中溶出,由于氧化硅为多孔性,从而为反应物与金属活性位点接触提供畅通的通道。本发明通过采用原位法在载体上掺杂钴协同在载体外包裹多孔二氧化硅,能够实现金属钴在Ti3C2载体上的高度分散,并使金属钴限域在Ti3C2载体和多孔二氧化硅之间。
有益效果:相比于现有技术,本发明具有如下显著的优点:本发明催化材料能够有效提高金属活性位点Co在Ti3C2@pSiO2上的分散性,即金属活性位点Co在Ti3C2@pSiO2上具有良好的分散性,从而获得具有更多可接触金属活性位点的催化材料,进而提高催化材料的催化活性,在活化PMS降解对硝基苯酚时表现出优异的降解性能,同时还能够有效阻止金属在反应过程中溶出而造成二次污染。
附图说明
图1为实施例4制备的本发明催化材料(Co-Ti3C2@pSiO2)的N2的吸附-脱附等温线;
图2为实施例1、实施例4和对比例1制得的催化材料的XRD图。
具体实施方式
实施例1
多孔氧化硅包裹单层Ti3C2催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后往其中加入150μL TEOS,计时反应1h;离心收集产物,用乙醇洗涤两次去除杂质,于-80℃下冷冻干燥48h,并研磨成粉末状,将冷冻干燥后的样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,以2.0℃·min-1的升温速率在350℃下热处理360min,得到的样品为多孔氧化硅包裹单层Ti3C2的催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在90min内对对硝基苯酚的降解活性为10.1%。
实施例2
本发明以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后,加入0.02g六水合硝酸钴,待六水合硝酸钴完全溶解后,立即往其中再加入150μL TEOS,计时反应1h;离心收集产物,用乙醇洗涤两次去除杂质,于-80℃下冷冻干燥48h,并研磨成粉末状,将冷冻干燥后的样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,以2.0℃·min-1的升温速率在350℃下热处理360min,得到的样品为Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在45min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例3
本发明以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后,加入0.04g六水合硝酸钴,待六水合硝酸钴完全溶解后,立即往其中再加入150μL TEOS,计时反应1h;离心收集产物,用乙醇洗涤两次去除杂质,于-80℃下冷冻干燥48h,并研磨成粉末状,将冷冻干燥后的样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,以2.0℃·min-1的升温速率在350℃下热处理360min,得到的样品为Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在30min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例4
本发明以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后,加入0.06g六水合硝酸钴,待六水合硝酸钴完全溶解后,立即往其中再加入150μL TEOS,计时反应1h;离心收集产物,用乙醇洗涤两次去除杂质,于-80℃下冷冻干燥48h,并研磨成粉末状,将冷冻干燥后的样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,以2.0℃·min-1的升温速率在350℃下热处理360min,得到的样品为Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下(25℃),对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%,其反应速率常速分别为0.254min-1。
实施例5
本发明以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后,加入0.08g六水合硝酸钴,待六水合硝酸钴完全溶解后,立即往其中再加入150μL TEOS,计时反应1h;离心收集产物,用乙醇洗涤两次去除杂质,于-80℃下冷冻干燥48h,并研磨成粉末状,将冷冻干燥后的样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,以2.0℃·min-1的升温速率在350℃下热处理360min,得到的样品为Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%,其反应速率常速分别为0.11min-1。
通过实施例1~5对比可知,引入六水合硝酸钴的量不同,对催化材料活化PMS降解对硝基苯酚有很大的影响,实验结果表明,加入0.06g六水合硝酸钴时,活化PMS降解对硝基苯酚的效果最好。
实施例6
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是15℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在45min内对对硝基苯酚的降解活性为100%,其反应速率常速分别为0.167min-1。
实施例7
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是35℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在10min内对对硝基苯酚的降解活性为100%,其反应速率常速分别为0.283min-1。
通过实施例4、6和7可知,在15、25和35℃的不同温度下进行实验,结果显示随着温度的升高,对硝基苯酚的去除效率更高。
实施例8
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先往溶液中加入0.2M的H2SO4使溶液pH值呈3,再将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例9
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先往溶液中加入0.2M的H2SO4使溶液pH值呈5,再将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例10
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先往溶液中加入0.2M的KOH使pH值呈7,再将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例11
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先往溶液中加入0.2M的KOH使pH值呈9,再将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
通过实施例8~11可知,反应液的初始pH值对催化活性没有明显的影响。
实施例12
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.0125g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在60min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例13
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.025g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在45min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例14
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.075g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在10min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
通过实施例4、12、13和14可知,不同的初始催化剂浓度对对硝基苯酚的降解有明显的影响,完全降解对硝基苯酚的时间从45min缩短至10min。
实施例15
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.125g的PMS,测试结果表明,催化材料在45min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例16
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.25g的PMS,测试结果表明,催化材料在20min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
实施例17
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.75g的PMS,测试结果表明,催化材料在10min内对对硝基苯酚的降解活性为100%。
通过实施例4、15、16和17可知,不同的PMS浓度对对硝基苯酚的降解有明显的影响。
实施例18
探究阴阳离子对降解对硝基苯酚的影响:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。在活化PMS降解有机污染物的过程中,阴阳离子和溶解性有机污染物广泛存在于实际水体中,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先加入0.05g催化材料,再分别加入5mmol L-1阴离子(HCO3 -、Cl-、SO4 2-、NO3 -)和阳离子(Mg2 +、Ca2+、K+、Na+)共八组对照实验,所有的对照实验均在相同条件下,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,HCO3 -对对硝基苯酚有明显的促进作用,Cl-有轻微的抑制作用,其它的影响可以忽略不记,均可完全去除对硝基苯酚。
实施例19
探究实施例4催化材料的稳定性:将反应结束后实施例4催化材料通过过滤收集,用去离子水洗涤,-80℃冷冻干燥48h,将冷冻干燥后的样品置于管式炉在氮气氛围下350℃锻烧180min,得到第一次再生催化剂。
采用高效液相色谱测试第一次再生催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先加入0.05g第一次再生催化剂,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,再次进行催化降解,反应运行90min,测试结果表明,可去除99.1%的对硝基苯酚。
实施例20
探究实施例19催化材料的稳定性:将反应结束后实施例19催化材料通过过滤收集,用去离子水洗涤,-80℃冷冻干燥48h,将冷冻干燥后的样品置于管式炉在氮气氛围下350℃锻烧180min,得到第二次再生催化剂。
采用高效液相色谱测试第二次再生催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先加入0.05g第一次再生催化剂,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,再次进行催化降解,反应运行90min,测试结果表明,可去除99.2%的对硝基苯酚。
实施例21
探究实施例20催化材料的稳定性:将反应结束后实施例20催化材料通过过滤收集,用去离子水洗涤,-80℃冷冻干燥48h,将冷冻干燥后的样品置于管式炉在氮气氛围下350℃锻烧180min,得到第三次再生催化剂。
采用高效液相色谱测试第三次再生催化材料活化PMS去除对硝基苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先加入0.05g第三次再生催化剂,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,再次进行催化降解,反应运行90min,测试结果表明,可去除98.2%的对硝基苯酚。
通过实例19~21可知,连续三次90min运行,结果表明,第三次再生催化剂对对硝基苯酚的去除效率仍可达到98%以上,说明催化材料具有良好的稳定性和可重复性。
实施例22
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除2,4,6-三氯苯酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以2,4,6-三氯苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,2,4,6-三氯苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在10min内对2,4,6-三氯苯酚的降解活性为98%。
实施例23
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除阿特拉津的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以阿特拉津为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,阿特拉津的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在30min内对阿特拉津的降解活性为96.5%。
实施例24
采用高效液相色谱测试实施例4催化材料活化PMS去除乙酰氨基酚的性能:吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以乙酰氨基酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,该降解的反应条件是25℃下,乙酰氨基酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在5min内对乙酰氨基酚的降解活性为100%。
对比例1
一种以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,具体为:
将10mL CTAC水溶液(CTAC水溶液中CTAC的质量浓度为10%)和200μL TEA加入烧杯中混合,室温下水浴搅拌10min,随后往其中滴加10mL Ti3C2水溶液(Ti3C2水溶液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1),溶液由白色转变成黑绿色,保持相同的条件再搅拌90min;将反应溶液倒入50mL圆底烧瓶中,油浴锅设为80℃,温度稳定后,加入0.06g六水合硝酸钴,待六水合硝酸钴完全溶解后,立即往其中再加入150μL TEOS,计时反应1h;反应结束后,将所得的样品溶液在60℃水浴蒸干(水浴蒸干干燥方式会导致载体上活性位点Co团聚),得到的固体样品置于管式炉中在氮气氛围下煅烧,升温速率以2.0℃·min-1在350℃热处理360min,得到的样品为Co-Ti3C2@pSiO2-evap催化材料。
吸附降解过程在500mL烧杯中进行,以对硝基苯酚为目标污染物,以PMS为氧化剂,采用高纯液相色谱测量催化材料活化PMS评估对硝基苯酚的降解情况。该降解的反应条件是室温下,对硝基苯酚的初始浓度为20mg·L-1,首先将0.05g催化材料加入其中,搅拌30min后,再加入0.5g的PMS,测试结果表明,催化材料在90min内对对硝基苯酚的降解活性为49.3%。
如图1所示,通过N2的吸附-脱附研究样品的多孔结构,证明多孔二氧化硅被成功包裹在Ti3C2载体上。如图2所示,实施例4为采用原位法制得的催化材料,其图谱上并未出现Co的特征峰,说明Co在Ti3C2载体上具有良好的分散性;而对比例1制得的与实施例4具有相同Co负载量的催化材料(对比例1中采用不同的干燥方法),图谱上出现明显的Co的衍射峰,说明Co在Ti3C2载体上出现团聚。由此说明,采用原位法制得的催化材料载体上Co呈现高度分散。通过对比例1的催化结果可知,其催化降解效果显著降低,表明活性金属位点Co在Ti3C2@pSiO2呈现良好的分散性更有利于降解污染物对硝基苯酚。
Claims (9)
1.一种以MXene为载体负载钴的催化材料,其特征在于:所述催化材料以单层Ti3C2纳米材料为载体,金属活性位点Co接枝在载体上,多孔氧化硅包裹在载体上,金属活性位点Co通过多孔氧化硅上的通孔与外部反应物接触。
2.根据权利要求1所述的以MXene为载体负载钴的催化材料,其特征在于:Co的负载量为催化材料质量的1.9~5.9%。
3.权利要求1所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将Ti3C2分散液均匀滴加于CTAC水溶液和TEA的混合溶液中,室温下充分混合,再往混合物料中依次加入二价钴盐和TEOS,将反应物料置于高温油浴中反应,反应后离心、洗涤、干燥;
(2)将干燥后的固态物置于惰性气氛中热处理,得到Co-Ti3C2@pSiO2催化材料。
4.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,混合溶液中,CTAC水溶液与TEA的加入体积比为45~50:1;CTAC水溶液中,CTAC的质量浓度为10~12%;Ti3C2分散液与混合溶液的加入体积比为1:0.92~1.02;Ti3C2分散液中,Ti3C2的质量浓度为0.5mg·L-1。
5.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,Ti3C2、二价钴盐和TEOS的加入摩尔比6.2:13.2~52.8:1。
6.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述二价钴盐为六水合硝酸钴。
7.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,油浴温度为80~85℃,油浴时间为1~2h。
8.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述干燥为冷冻干燥,冷冻干燥的温度为-40~-80℃,干燥时间为12~48h。
9.根据权利要求3所述的以MXene为载体负载钴的催化材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,热处理温度为350~360℃,热处理时间为2~6h。
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