一种双金属NiFe原子簇催化材料及其制备方法和应用

本发明涉及原子簇催化材料，具体涉及一种双金属nife原子簇催化材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、不断膨胀的世界人口和工业化的快速推进等趋势引起了许多的环境问题。其中，由于水体资源管理不当，水体环境被复杂、有毒和有害的有机污染物污染的问题值得关注。一方面，含酚废水来源于煤炭加工、石油化工、制药、木材加工、油漆制造、纺织、塑料和橡胶生产、造纸以及食品加工等行业，具有毒性大、难降解、能致畸、致癌、致突变等特征，对环境污染极大，另一方面，水体中的染料因其对健康的严重危害、散发的毒性以及因排放和回收技术不足而导致的环境污染得到了相当大的重视。

2、具体地，四环素、苯酚和双酚a是众多抗生素或者抗生素生产过程中最为广泛使用的。其中，四环素具有低成本和高抗微生物活性等特点，广泛用于畜类疾病治疗。而环境中残留的含酚类污染物废水主要来源于制药污水的排放以及畜牧业中未经代谢而通过动物粪便、尿液进入环境的部分。罗丹明b和亚甲基蓝是染料使用中最常见的两种，同样具有低成本和长久耐用等特点，水体中残留的染料废水主要来源于衣物和玩具制造后的排放。目前，河流、市政污水、地下水、土壤甚至饮用水中均检测出了残留四环素、苯酚、双酚a、罗丹明b和亚甲基蓝等多种有机污染物。抗生素、酚类污染物和染料在水生和土壤环境中能够持久存在，产生潜在的和散发的毒性，如对生物的毒性、抗性基因的扩散等，需要引起广泛的关注，开发低成本且高效的技术彻底清除多种类型的残留有机污染物亟不可待。

3、目前，一般废水中残留的有机污染物种类众多且彼此难以分离，通过传统生物处理技术实现污染物残留的完全去除十分困难。因此，迫切需要开发一种方便可靠的处理污染物残留问题的材料及方法。近年来在清除四环素、苯酚、双酚a、罗丹明b和亚甲基蓝污染物方面已经做了一些努力，包括传统的絮凝沉淀、吸附、氯化氧化、生物降解和膜分离技术等。但是，上述方法在实践中均暴露出了自身的缺陷，如操作成本过高、除去效率低下，引入其它污染物等，难以大规模推广应用。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种双金属nife原子簇催化材料及其制备方法和应用，本发明制备的催化材料不仅具有稳定结构和高活性，且在室温常压下能够高效降解废水中的污染物，此法操作简单，使用原料廉价易得，去除效率高，制得的复合材料适用于环境污染处理。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种双金属nife原子簇催化剂材料的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将可溶性镍盐溶于水中搅拌，随后加入可溶性铁盐，均匀搅拌，再加入ch4n2o，搅拌混合，获得均匀金属混合溶液；

5、(2)将步骤(1)得到的金属混合溶液和泡沫金属转移至聚四氟乙烯内衬中，随后放入反应釜中加热处理，干燥后获得双金属nife原子簇催化材料。

6、优选的，步骤(1)中可溶性镍盐、可溶性铁盐和ch4n2o的摩尔比为3.0～7.0：2：11.6。

7、优选的，步骤(1)中可溶性镍盐在水中搅拌时间为45～60min，加入可溶性铁盐后均匀搅拌时间为45～60min，加入ch4n2o后混合搅拌时间为60～80min。

8、优选的，步骤(1)中可溶性镍盐为nicl2·6h2o，可溶性铁盐为fecl3·6h2o。

9、优选的，步骤(2)中所述泡沫金属为ni、fe或cu。

10、优选的，其特征在于，步骤(2)加热处理温度为115～125℃，保温时间为11～13h。

11、优选的，其特征在于，步骤(2)中干燥温度为60～70℃，干燥时间为24～36h。

12、本发明的另一个目的是提供一种由上述任一项所述的制备方法制得的双金属nife原子簇催化材料。

13、优选的，所述双金属nife原子簇催化材料为将ni原子簇以珊瑚中“珊瑚虫”的角色原位生长于fe原子簇珊瑚骨骼的表面，得到“珊瑚状”结构的双金属nife复合材料。

14、本发明的第三个目的是提供一种上述所述的双金属nife原子簇催化材料在降解微通道反应器污染物废水中的应用。

15、应用方法为：将制备的nife原子簇负载的泡沫金属置于设计的微通道反应器内固定，将150mg/l活化剂过氧单硫酸盐溶液和四环素、苯酚、双酚a、罗丹明b和亚甲基蓝浓度为30mg/l的溶液利用蠕动泵设置相同的流速同时进入微通道反应器中，室温下对溶液中的污染物进行去除。

16、与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

17、1、本发明利用简单一步水热法成功合成出了具有珊瑚状的ni/fe双金属原子簇催化剂，其具有原子负载量大、高比表面积、容易制备，其特定的复合结构使其能够暴露出高密度的ni，且在吸附过氧单硫酸盐(pms)分子后形成高氧化还原电位的反应表面，强化了电子从污染物上较高电位的官能团到pms的转移，其中，污染物是电子供体，pms是电子受体，当具有丰富电子的污染物接近被激活的pms分子时，形成了电子供体-介体-受体的三元体系，选择ni作为金属中心是因为它便宜且无毒，同时fe金属可以起到材料骨架构建和稳定结构的作用，将制备的nife原子簇负载于泡沫金属表面置于设计的微通道反应器内固定就能够实现对溶液中多种有机污染物的高效去除。

18、2、本发明制备的催化材料不仅具有高活性位点，且在室温常压和无酸碱限制下能够高效降解废水中的污染物，且本发明的催化剂参与完成催化反应，不会溶解在水体中，不会对水体造成二次污染，催化材料具有稳定的结构，在微通道反应器内所述材料与活化剂配合的情况下可以对污染物实现连续高效降解。

19、3、本发明制备催化剂的方法创新、操作简单，使用原料廉价易得，成本较低，所制备的双金属nife原子簇复合材料利用高活性位点对活化剂pms进行激活，对溶液中污染物的处理方法属于产生电子转移的非自由基反应的催化降解法，催化剂负载的泡沫金属对溶液中污染物去除效果显著，对溶液中的四环素、苯酚、双酚a、罗丹明b和亚甲基蓝去除率高达100％、100％、98％、100％和99％。

技术特征：

1.一种双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中可溶性镍盐、可溶性铁盐和ch4n2o的摩尔比为3.0～7.0：2：11.6。

3.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中可溶性镍盐在水中搅拌时间为45-60min，加入可溶性铁盐后均匀搅拌时间为45-60min，加入ch4n2o后混合搅拌时间为60-80min。

4.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中可溶性镍盐为nicl2·6h2o，可溶性铁盐为fecl3·6h2o。

5.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述泡沫金属为ni、fe或cu。

6.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)加热处理温度为115-125℃，保温时间为11-13h。

7.根据权利要求1所述的双金属nife原子簇催化材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中干燥温度为60-70℃，干燥时间为24-36h。

8.一种权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的双金属nife原子簇催化材料。

9.一种权利要求8所述的双金属nife原子簇催化材料在降解微通道反应器污染物废水中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：应用方法为：将制备的nife原子簇负载的泡沫金属置于设计的微通道反应器内固定，将活化剂过氧单硫酸盐溶液和四环素、苯酚、双酚a、罗丹明b和亚甲基蓝溶液利用蠕动泵设置相同的流速同时进入微通道反应器中，室温下对溶液中的污染物进行去除。

技术总结
本发明涉及原子簇催化材料技术领域，具体涉及一种双金属NiFe原子簇催化材料及其制备方法和应用，本发明将NiCl<subgt;2</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O先行溶解水中搅拌，随后加入FeCl<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O，进行均匀搅拌，加入CH<subgt;4</subgt;N<subgt;2</subgt;O，再次搅拌混合，获得均匀金属混合溶液，所得金属混合溶液和泡沫金属转移至聚四氟乙烯内衬中，随后放入不锈钢反应釜中，加热处理，将取得的材料进行干燥处理，即获得NiFe原子簇负载的泡沫金属，本发明制备的催化材料不仅具有高活性位点，且在室温常压和无酸碱限制下能够高效降解废水中的污染物，在微通道反应器内与活化剂配合的情况下可以对污染物实现连续高效降解。

技术研发人员：刘伯霞,张夏炎,宋智,刘嘉璐
受保护的技术使用者：北方民族大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16