基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂、其制备方法及其应用

本发明涉及环境修复材料，特别涉及一种双活性位点催化剂的制备方法和用途。

背景技术：

1、传统的基于过渡金属或金属离子的高级氧化工艺虽然能生成活性物质硫酸根自由基，但是无可避免的导致金属离子的二次污染以及催化剂不可逆的失活现象，极大的限制了其实际应用。而新兴的单原子催化剂，尤其是碳基的催化剂，因其超高的原子利用效率，对环境友好，以及超强的稳定性成为了催化领域有吸引力的材料。据报道氧空位是一种可以锚定单原子的活性位点，通过它的固定，可以稳定金属离子，防止其团聚形成纳米颗粒。

2、铁因其环境友好性以及强大的类芬顿效应常被开发为高级氧化的催化剂。铁纳米团簇的存在促进了单原子铁用于高效氧还原，即二元体系的协同作用，催化效果有可能比单独的单原子催化剂更高。铈是地球上最丰富的稀土金属，且价格低廉比钴更便宜，无毒。ce（iii）和ce（iv）之间独特的相互转化使其可以应用于氧化还原体系。并且铈可以与其他金属相互作用，进一步促进活性氧化剂产生自由基。

3、查阅现有的发明或技术，其中cn114130359a以豆粕为生物炭原材料，在400-700℃高温热解制备豆粕生物炭基础上，采用浸载法进行镧改性，得到高效脱磷的镧改性豆粕生物炭，制备的目标材料用于吸附富营养化水体中的磷酸盐。而与镧以及其他稀土元素相比，铈在地壳中的丰度是稀土元素中丰度最高的，开采和提炼成本相对较低，在成本效益上具有更大优势。而且铈具有独特的氧化还原活性，特别是ce（iii）和ce（iv）之间的转换，在催化和氧化还原反应中有重要应用。

4、cn111617742a涉及一种生物炭负载铁锰材料的制备方法和应用。该方法在生物炭上负载铁锰元素，形成的fe-o和mn-o官能团，凭借其与阴离子污染物的强络合能力以及使得生物炭表面更加粗糙而增多吸附位点，吸附阴离子污染物。而本发明中铁纳米团簇产生的羟基自由基（·oh），具有极高的氧化还原电位，能够无选择性地降解各种有机污染物，且与污染物的反应速度快，可以在较短的时间内实现污染物的高效降解。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂、其制备方法及其应用，其原材料易于获取、成本低，制备方法简便且对环境的负面影响小，具有宽泛的ph适应性以及很强的背景离子抵抗能力，可以更高效地去除污染物。

2、本发明的目的是这样实现的：一种基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤1）将浮萍和强碱混合粉碎研磨均匀，过筛，得到混合原料；

4、步骤2）将混合原料放置管式炉中，在氮气氛围下热解，以设定的升温速率升温至目标温度700-900℃下热解50-150min，磁力搅拌去矿后即得碳载体材料；

5、步骤3）将所得的碳载体材料加水浸没搅拌均匀，加入柠檬酸、乙二醇、铁盐与铈盐升温搅拌，烘干后将混合物放置管式炉中，在氮气氛围下热解，以设定的升温速率升温至目标温度800-1000℃下热解50-150min，即得基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂材料。

6、进一步的，步骤1）中，所述浮萍生物质的粉碎粒径不超过0.15mm。

7、进一步的，步骤1）中，所述强碱为naoh、koh或ca(oh)2，所述浮萍和强碱混合质量比为1:0.5~1:2。

8、进一步的，步骤2）中，所述管式炉升温速率为5oc/min，氮气的流量为400ml/min。

9、进一步的，步骤2）中，所述磁力搅拌去矿为用2m的hcl磁力搅拌12h。

10、进一步的，步骤3）中，所述铁盐为：fecl3、fe(no3)3或fe2(so4)3，铈盐为：cecl3、ce(no3)3或ce2(so4)3。

11、进一步的，步骤3）中，所述管式炉升温速率为5oc/min；氮气的流量为400ml/min。

12、一种双活性位点催化剂，采用上述制备方法制得，为具有单原子铈和铁纳米团簇独特结构的材料。

13、一种双活性位点催化剂的应用，用于降解持久性有机污染物。

14、进一步的，用于降解有机氯化物、有机染料、农药、持久性有机污染物。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、（1）本发明的热解炭负载单原子铈与铁纳米团簇的复合材料以浮萍、铁盐和铈盐为主要原料，来源广泛，价格低廉，材料环保，对环境的负面影响小。

17、（2）本发明中在生物炭基催化剂上构建二元原子级活性位点，包括单原子铈以及铁纳米团簇，单原子铈能够产生高反应活性的活性氧物种-单线态氧（1o2），可以有效降解有机污染物；铁产生的羟基自由基（·oh）是一种强氧化剂，能够降解多种有机污染物；单原子铈与铁纳米团簇之间的相互作用增强了其催化活性。

18、（3）本发明制备的一种热解炭负载单原子铈与铁纳米团簇的复合材料对持久性有机污染物的去除效果良好，且该材料稳定性好，便于回收利用。

技术特征：

1.一种基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述浮萍生物质的粉碎粒径不超过0.15mm。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述强碱为naoh、koh或ca(oh)2，所述浮萍和强碱混合质量比为1:0.5~1:2。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述管式炉升温速率为5oc/min，氮气的流量为400ml/min。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述磁力搅拌去矿为用2m的hcl磁力搅拌12h。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述铁盐为：fecl3、fe(no3)3或fe2(so4)3，铈盐为：cecl3、ce(no3)3或ce2(so4)3。

7.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述管式炉升温速率为5oc/min；氮气的流量为400ml/min。

8.一种双活性位点催化剂，其特征在于，采用如权利要求1-7中任一项所述制备方法制得，为具有单原子铈和铁纳米团簇独特结构的材料。

9.一种如权利要求8所述的双活性位点催化剂的应用，其特征在于，用于降解持久性有机污染物。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，用于降解有机氯化物、有机染料、农药、持久性有机污染物。

技术总结本发明公开了环境修复材料技术领域内的一种基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂的制备方法，包括以下步骤：1）将浮萍和强碱混合粉碎研磨均匀，过筛，得到混合原料；2）将混合原料放置管式炉中，在氮气氛围下热解，以设定的升温速率升温至目标温度下热解，磁力搅拌去矿后即得碳载体材料；3）将所得的碳载体材料加水浸没搅拌均匀，加入柠檬酸、乙二醇、铁盐与铈盐升温搅拌，烘干后将混合物放置管式炉中，在氮气氛围下热解，以设定的升温速率升温至目标温度下热解，即得基于生物炭上锚定的单原子铈与铁纳米团簇的双活性位点催化剂材料，本发明具有宽泛的pH适应性以及很强的背景离子抵抗能力，可以更高效地去除污染物。技术研发人员：王圣森,梁云斐,袁扬帆,葛骁,杨婉,赵晨浩受保护的技术使用者：扬州大学技术研发日：技术公布日：2024/9/2