一种氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及催化材料领域，具体涉及一种氮掺杂石墨烯催化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、针对目前存在的挥发性有机物(vocs)治理技术薄弱、核心关键材料缺乏和装备运行可靠性低等问题，众多使用催化剂进行处理的方案被应用于现场实践。作为vocs治理装备制造的上游环节，能够高效吸附与氧化催化的催化剂材料是解决治理效率与经济费用问题的根本。石墨烯作为一种单层碳原子材料，孔结构复杂利于催化剂吸附，鼓泡法制备的石墨烯载体成本低，环保，具有较高应用价值。金属铋纳米粒子催化活性较高、可循环使用并且在空气中稳定性较高，可替换贵金属催化剂作为一种有效的廉价催化剂。高效的催化剂在保证对目标vocs气体处理的同时，如果具有较低的成本，可有望解决vocs污染治理的材料、装备的技术瓶颈，能够支撑开展包装、印刷、家具、电子、医药等重点行业vocs源头控制和末端治理，让中小企业从有气体处理需求但无力支撑大型气体处理设备的使用费用，到对气体催化处理设备放心用、大胆用，从根源上解决企业痛点难点。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种氮掺杂石墨烯催化材料，其具有催化效率高、无毒无害等优点。

2、本发明的第二目的是提供该氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，该制备方法成本较低。

3、本发明的第三目的是提供该氮掺杂石墨烯催化材料的应用。

4、为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种氮掺杂石墨烯催化材料，其包括第一载体和负载在所述第一载体上的第一活性组分，所述第一载体为具有三维中孔结构的石墨烯，所述第一活性组分包括含氮物质和金属铋纳米颗粒。

5、在本发明的一些实施例中，所述金属铋纳米颗粒在所述第一载体上的负载量为大于0wt％且小于1wt％，优选为0.2wt％至0.5wt％。

6、在本发明的一些实施例中，所述含氮物质和所述金属铋纳米颗粒摩尔比为1：(5～9)。

7、在本发明的一些实施例中，所述含氮物质为石墨氮、吡啶氮、吡咯氮中的至少一种。

8、在本发明的一些实施例中，所述含氮物质的尺寸为纳米级。

9、在本发明的一些实施例中，所述氮掺杂石墨烯催化材料还包括第二载体和负载在所述第二载体上的第二活性组分，所述第二载体为具有三维多孔结构的石墨烯，所述第二活性组分为磁性四氧化三铁纳米粒子，负载有所述第一活性组分的所述第一载体和负载有所述第二活性组分的所述第二载体混合。

10、在本发明的一些实施例中，所述氮掺杂石墨烯催化材料还包括网材，负载有所述第一活性组分的所述第一载体和负载有所述第二活性组分的所述第二载体涂覆在所述网材上。

11、为实现本发明的第二目的，本发明还提供了上述任一方案所述的氮掺杂石墨烯催化材料的制备方法，其包括以下步骤：在惰性金属衬底上设置第一载体层，在所述石墨烯层上设置含有聚合物、含氮物质和金属铋纳米颗粒的复合材料层，得到阴极，将所述阴极在电解液中电解水产生气泡，得到从惰性金属衬底分离的具有三维中孔结构且负载有含氮物质和金属铋纳米颗粒的氮掺杂石墨烯材料。

12、在本发明的一些实施例中，所述惰性金属衬底为pt衬底。

13、在本发明的一些实施例中，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯。

14、在本发明的一些实施例中，所述电解液为naoh电解液，所述气泡为氢气，所述电解液的浓度为0.25mol/l。

15、在本发明的一些实施例中，在所述石墨烯层上设置含有聚合物、含氮物质和金属铋纳米颗粒的复合材料层的步骤之后，进行加热烘烤。

16、在本发明的一些实施例中，所述电解水的步骤在常温下进行。

17、在本发明的一些实施例中，在将所述阴极在电解液中电解水产生气泡的步骤之前，所述制备方法还包括：以薄膜作为支撑材料，所述支撑材料直接或通过聚合物连接到复合材料层上，所述薄膜为聚酯或聚四氟乙烯。

18、在本发明的一些实施例中，在将所述阴极在电解液中电解水产生气泡的步骤之后，所述制备方法还包括清洗除去所述氮掺杂石墨烯材料上的电解液和至少部分聚合物。

19、在本发明的一些实施例中，所述制备方法还包括：通过水热法制备磁性四氧化三铁纳米粒子，将所述磁性四氧化三铁纳米粒子喷涂于聚酰亚胺薄膜上，使用激光刻蚀技术制成具有三维多孔结构且负载有磁性四氧化三铁纳米粒子的铁基石墨烯材料；将所述氮掺杂石墨烯材料和所述铁基石墨烯材料混合并喷洒到网材上。

20、在本发明的一些实施例中，通过水热法制备磁性四氧化三铁纳米粒子的步骤包括：向蒸馏水中通入惰性气体排除空气，再将fecl3·6h2o和fecl2·4h2o按fe3+/fe2+摩尔比为1.25溶解于所述蒸馏水中，磁力搅拌下得到混合溶液，将所述混合溶液转入烧瓶，一个口通入n2，另一个口安装盛有盐酸或浓氨水的滴液漏斗，在恒温磁力搅拌电热套中恒温反应，磁力搅拌下缓慢滴加盐酸或浓氨水调溶液ph＝7，再将其放在数控超声波振荡器中超声波振荡0.5h，制得前驱物，将所述前驱物转入到聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，加热反应釜进行反应，反应完成后将产物用蒸馏水洗涤，离心机分离，倒去上层清液，取出黑色粉末进行干燥，研磨得到所述磁性四氧化三铁纳米粒子。

21、在本发明的一些实施例中，所述网材为钛网。

22、在本发明的一些实施例中，使用激光刻蚀技术制成具有三维多孔结构且负载有磁性四氧化三铁纳米粒子的铁基石墨烯材料的步骤包括：使用激光刻蚀技术利用瞬态激光辐射实现聚酰亚胺中氮和氧原子的气化和碳原子的重组，从而生成具有三维多孔结构且负载有磁性四氧化三铁纳米粒子的铁基石墨烯材料。

23、在本发明的一些实施例中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为0.02mm至0.05mm。

24、在本发明的一些实施例中，将所述氮掺杂石墨烯材料和所述铁基石墨烯材料混合并喷洒到网材上包括：将尺寸为20mm×20mm×2mm的网材均匀摊铺于工作台上，使用喷淋设备使催化剂均匀涂覆于钛网表面。

25、为实现本发明的第三目的，本发明提供了一种气体中有机污染物的处理装置，其包括上述任一方案所述的氮掺杂石墨烯催化材料或上述任一方案所述的制备方法得到的氮掺杂石墨烯催化材料，即把本发明的氮掺杂石墨烯催化材料应用于气体中有机污染物处理。

26、与现有技术相比，本发明能够取得以下有益效果：

27、本发明提供的氮掺杂石墨烯催化材料包含具有三维中孔结构且具有含氮物质和金属铋纳米颗粒锈蚀的氮掺杂石墨烯材料，该材料以三维多孔的石墨烯作为载体，附着纳米催化薄膜，形成负载高效催化剂的三维材料，可应用于空气中甲醛、vocs排放治理，其中石墨烯载体具有多孔和中孔结构，具有良好的吸附性能；含氮物质对空气中的有机污染物具有显著的催化降解作用；金属铋纳米粒子催化活性较高、可循环使用并且在空气中稳定性较高，可替换贵金属催化剂降低催化剂成本。含氮物质和金属铋纳米粒子协同作用能够起到更好的催化氧化作用，两者与三维中孔的石墨烯载体配合，能够自再生解决吸附饱和问题。进一步地，本发明的氮掺杂石墨烯催化材料还可以含有负载有磁性四氧化三铁纳米粒子的多孔石墨烯材料，磁性四氧化三铁纳米粒子具有高吸附性、良好的催化特性及可重复利用性，与含氮物质和金属铋纳米粒子配合可以去除大范围的甲醛、vocs等有机污染物。