富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料及其制备方法与应用

本发明涉及一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料及其制备方法与应用。

背景技术：

1、为积极应对水资源短缺和日以污染的水环境问题，基于过氧单硫酸盐的高级氧化技术，因其ph耐受性和强氧化能力而在废水处理方面得以广泛应用。

2、活化剂pms决定着运行的成本，而以往通常需要加入过量的pms才能获得较为满意的活性，这也在一定程度上导致成本居高不下以及可能造成新的二次污染。

3、因此，寻求一种行之有效的降解方法，实现污染物高效降解的同时，并有效降低输入的成本，对于日益严峻的水环境污染问题，具有重要的现实意义。

技术实现思路

1、本发明提出一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，解决了现有技术中降解污染物效率低以及成本高等问题。

2、本发明还提出了一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，解决了现有技术中的降解材料催化活性低等问题。

3、本发明还提出了一种石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用，解决了现有技术中污染物去除率低等问题。

4、本发明的技术方案是这样实现的：

5、一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，将金属有机框架作为基底，通过直接高温热解制备得到。

6、进一步，所述富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料含超过40％的石墨氮。

7、进一步，金属有机框架含有的金属为锌(zn)。

8、金属有机框架具有灵活可调的特性，zn的沸点是900度左右，在高温下升华，只留下碳和氮。zn的挥发，进一步避免了重金属残留造成的二次污染。

9、进一步，金属有机框架为沸石咪唑框架-8，沸石咪唑框架-8的分了式为c8h10n4zn。

10、一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，将金属有机框架作为基底，在氨气条件下制备，预先通nh3，排尽多余的空气，按照8-12℃/min升温至900℃以上，保持1.5-2.5小时后降温至常温。制备的材料暴露出含量超过40％的石墨氮。

11、降温至常温后将产物磨细，密封保存。

12、进一步，通nh3时间为25-35分钟。

13、一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用，将富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料应用于活化过氧单硫酸盐，降解有机污染物。

14、进一步，有机污染物包括酚类有机物，酚类有机物包括苯酚和/或双酚a。

15、进一步，将富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料制成过滤膜应用于活化过氧单硫酸盐。

16、反应过程中，主要是氮掺杂多孔碳纳米材料中富含的石墨氮活性物种在与pms结合后，生成了亚稳态的络合物(nc-pms*)，此络合物诱导发生etp过程，并迅速剥夺富电子的酚类污染物的电子，从而实现酚类污染物的高效降解。

17、由于络合物的稳定性和可循环利用性，在预先加入pms程序中，相较于传统同时加入活化剂和污染物而言，前者可降低近一半的pms消耗，具有较高的成本和经济效益，减少污水处理厂的投入。

18、本发明的有益效果为：

19、本发明中富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料是一种氮掺杂碳催化材料，具有高活性、低成本、多孔性，已成为良好的活化pms的催化材料，催化体系在15分钟内可实现100％酚类污染物的完全降解。实现过氧单硫酸盐(pms)的非自由基电子转移过程(electron transfer process,etp)，高效、绿色、可持续降解有机污染物。非自由基电子转移过程(electron transfer process,etp)相较于传统的活性氧物种(ross,so4·-,·oh,o2·-,1o2)，可以减少成本投入并减轻可能的二次污染，具有较高的经济和环境效益。

20、富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料制成的过滤膜，可实现酚类有机物的长期高效去除，48小时仍能达到98％的去除率；通过膜材料的截留作用，赋予所述材料优异的催化性能，并且降低了投加和运行成本，而且所述膜材料能够保证持续稳定性，且降解效率高。

21、预先加入pms，可回收未利用的pms，并可节省大约一半的pms，成本效益分析表明此材料在水处理领域具有非常大的实际应用潜力。

22、通过nh3刻蚀碳基底，使其暴露出更多的石墨氮活性位点，提高催化活性。

23、通过促进石墨氮活性物种生成，引导其活化pms以电子转移路径降解有机污染物，实现高效低耗的催化降解特点，对于污水处理厂降低运行的成本具有重要指导意义。

技术特征：

1.一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，其特征在于：将金属有机框架作为基底，通过直接高温热解制备得到。

2.如权利要求1所述的富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，其特征在于：所述富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料含超过40％的石墨氮。

3.如权利要求1所述的富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，其特征在于：金属有机框架含有的金属为锌。

4.如权利要求1所述的富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，其特征在于：金属有机框架为沸石咪唑框架-8，沸石咪唑框架-8的单位分子式为c8h10n4zn。

5.一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，其特征在于：将金属有机框架作为基底，在氨气条件下制备，预先通nh3，排尽多余的空气，按照8-12℃/min升温至900℃以上，保持1.5-2.5小时后降温至常温。

6.如权利要求5所述的石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，其特征在于：降温至常温后将产物磨细，密封保存。

7.如权利要求5所述的石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，其特征在于：通nh3时间为25-35分钟。

8.一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用，其特征在于：将富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料应用于活化过氧单硫酸盐，降解有机污染物。

9.如权利要求8所述的富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用，其特征在于：有机污染物包括酚类有机物，酚类有机物包括苯酚和/或双酚a。

10.如权利要求8所述的富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用，其特征在于：将富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料制成过滤膜应用于活化过氧单硫酸盐。

技术总结
本发明提出了一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料，将金属有机框架作为基底，通过高温热解制备得到。一种含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的制备方法，在氨气条件下制备，预先通NH<subgt;3</subgt;，排尽多余的空气，按照8‑12℃/min升温至900℃以上，保持1.5‑2.5小时后降温至常温。一种富含石墨氮活性物种的高效氮掺杂多孔碳纳米材料的应用。通过促进石墨氮活性物种生成，引导其活化PMS以电子转移路径降解有机污染物，实现高效低耗的催化降解特点，对于污水处理厂降低运行的成本具有重要指导意义。

技术研发人员：韩彬,刘云松,翁宗林,林远芳,杨志峰
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17