一种锚定在介孔碳MXene双载体的Co单原子纳米片催化剂及其用途
本发明属于水处理，尤其涉及co-n单原子锚定在介孔碳夹层mxene催化剂及其在活化过一硫酸盐降解废水双酚a中的用途。
背景技术：
1、基于过硫酸盐的高级氧化工艺(ps-aops)在去除废水中的难降解有机污染物方面备受关注。ps-aops在降解污染物的过程中主要涉及两种路径，一种是自由基路径包括产生硫酸根自由基(so4●-)和羟基自由基(●oh)等活性氧物种用来降解污染物；另一种是利用单线态氧(1o2)、电子转移过程或高价金属物种来降解污染物的非自由基路径。虽然基于自由基路径的ps-aops对许多污染物的矿化率很高，但它们可能会与复杂水基质中的某些无机阴离子发生反应，从而产生有毒的副产品。一些非自由基路径，尤其是基于电子转移过程的体系，在ps-aops中显示出许多优势，例如生成的表面活性复合物具有更长的寿命(长达数分钟甚至数天)、对氧化剂需求低以及对富含电子的污染物具有选择性。然而，许多基于电子转移过程的体系都会伴随产生其他活性氧物种，尤其是自由基，从而阻碍电子转移机制发挥最大优势。因此，设计新型催化剂以近100％电子转移过程高效降解污染物就显得尤为重要。
2、近年来，单原子(sa)因其高的原子利用率、独特的电子结构和出色的稳定性而被广泛应用于ps-aops。将单原子锚定到特定载体上可以精确控制单原子的配位结构和局部微环境。研究表明，金属-氮配位结构对过一单硫酸盐(pms)具有优异的吸附和活化能力。然而，即使是相同的金属-氮配位结构，也观察到了不同的催化机制(unveiling the originsof selective oxidation in single-atom catalysis via co-n4-c intensifiedradical andnonradical pathways,environmental science&technology 202256(16),11635-11645)，这表明单原子的载体选择可能起着重要作用。介孔碳具有较大的比表面积和丰富的孔隙率，可有效固定单原子并增加活性位点的可及性。此外，碳纳米管、石墨化纳米金刚石和贵金属基催化剂等各种材料具有优异的导电性和电子构型，可使电子在其表面快速移动，从而促进以电子转移路径降解污染物。mxene作为新兴的二维过渡金属碳化物/氮化物，具有优异的导电性、良好的亲水性和丰富的官能团，被认为是理想的导电载体。考虑到催化剂对pms的吸附-活化以产生表面活性复合物是电子转移过程的关键步骤，在具有出色吸附性和导电性的双功能催化剂上锚定单原子有利于实现以电子转移过程降解污染物。
技术实现思路
1、本发明的目的在于解决现有自由基主导的ps-aops所面临的复杂水质干扰易生成有毒副产物以及过硫酸盐利用率低等问题，提供一种锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂及其活化过硫酸盐降解污染物的用途。
2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
3、第一方面，本发明提供了一种锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂的制备方法，包括如下步骤：
4、(1)将ti3c2tx纳米片放入水和乙醇混合溶液中，超声使其溶解；
5、(2)将pluronic f127的乙醇溶液、盐酸多巴胺和钴盐的混合水溶液、1,3,5-三甲苯依次加入到步骤(1)所得溶液中，搅拌反应一段时间后滴加氨水，继续反应一段时间；
6、(3)反应结束后离心、洗涤、干燥，所得样品在350℃下加热3小时，接着在800℃下加热2小时，酸洗后得到所述催化剂。
7、较佳的，水和乙醇混合溶液中水和乙醇的体积比为1:1。
8、较佳的，钴盐为六水合氯化钴(cocl2·6h2o)，盐酸多巴胺与cocl2·6h2o的质量比为60:1。
9、较佳的，pluronic f127、盐酸多巴胺与mxene三者的质量比为60:60:1。
10、较佳的，1,3,5-三甲苯与盐酸多巴胺的质量比为2.89:1。
11、较佳的，反应30min后滴加氨水，继续反应2h。
12、较佳的，搅拌速度为600转每分钟。
13、较佳的，从室温以2℃ min-1升温至350℃，从350℃以1℃ min-1升温至800℃。
14、第二方面，本发明提供了第一方面所述的方法制备的锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂。
15、第三方面，本发明提供了第一方面所述的方法制备的锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂在活化过一硫酸盐降解污染物中的用途。
16、较佳的，其步骤如下：向含有双酚a的废水中投加该催化剂和pms，使其充分混合，将反应器放置在600rpm的搅拌台上，常温的条件下进行降解反应。
17、更进一步地，所述pms为过一硫酸氢钾复合盐，催化剂与双酚a的质量比为5:1；pms和双酚a的质量比为10:1；降解反应时间为20分钟。
18、相较于其他高级氧化工艺，本发明所提供的mco-nc/mx催化剂是由单原子co-n锚定在具有出色的吸附性和优异导电性的双功能载体上，这种催化剂几乎以100％的电子转移过程的非自由基路径来降解污染物，这解决了自由基易与无机阴离子发生副反应产生有毒的卤代副产物的问题。该催化剂对多种污染物具有高效的选择性。对富电子类污染物例如苯酚、对氯苯酚和双酚a几乎在20分钟达到100％的去除；对缺电子类污染物，如苯甲酸和对硝基苯酚则降解效果较差。这将有利于该催化剂在水中选择性去除富电子类有机污染物，能够大大提高催化剂的利用率。此外，污染物的降解路径是通过聚合转移反应将水溶液中的有机污染物转化为聚合物，在最小化氧化剂使用量的条件下促使污染物聚合转移至催化剂表面，总有机碳(toc)去除率可达72％，同步实现污水处理过程的节能减排。
技术特征：
1.一种锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，水和乙醇混合溶液中水和乙醇的体积比为1:1。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，钴盐为六水合氯化钴，盐酸多巴胺与六水合氯化钴的质量比为60:1。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，pluronic f127、盐酸多巴胺与mxene三者的质量比为60:60:1。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，1,3,5-三甲苯与盐酸多巴胺的质量比为2.89:1。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，反应30min后滴加氨水，继续反应2h。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，从室温以2oc min-1升温至350℃，从350℃以1oc min-1升温至800oc。
8.一种如权利要求1-7任一所述的方法制备的锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂。
9.一种如权利要求1-7任一所述的方法制备的锚定在介孔碳/mxene双载体的co单原子纳米片催化剂在活化过一硫酸盐降解污染物中的用途。
10.如权利要求9所述的用途，其特征在于，其步骤如下：向含有双酚a的废水中投加所述催化剂和pms，使其充分混合，将反应器放置在600rpm的搅拌台上，常温的条件下进行降解。
技术总结
本发明公开了一种锚定在介孔碳/MXene双载体的Co单原子纳米片催化剂及其用途。该催化剂由单原子Co‑N锚定在具有出色的吸附性和优异导电性的双功能载体上，这种催化剂几乎以100%的电子转移过程的非自由基路径来降解污染物，这解决了自由基易与无机阴离子发生副反应产生有毒的卤代副产物的问题，催化剂通过活化PMS在20分钟内去除了99%的双酚A。污染物发生聚合反应吸附在催化剂上从水中去除且总有机碳（TOC）去除率高达72%。该方法可实现水净化，并减少水处理过程中的碳排放。
技术研发人员：李健生,郭鑫,姚怡媛,肖承铭,王云龙,齐俊文,朱志高,周雨珺,杨月,孙秀云
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23