【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于環境新材料領域，涉及一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑及其制備方法和應用。
技術介紹
1、過單硫酸鹽(pms)活化技術因能高效地產生羥基自由基、硫酸根自由基、超氧自由基和單線態氧等活性氧物質，可以高效去除藥物、染料和工業化學品等有機污染物，成為了當前水處理技術中的研究熱點。然而，污染物完全降解通常需要高濃度的pms，這不僅會增加運營成本且需要承擔硫酸鹽的高負荷帶來的環境劣勢。因此，優化工藝條件以最大限度地減少pms添加量，同時最大限度地提高污染物去除效率仍然是一個關鍵的研究領域。
2、當前，單原子催化劑具有原子利用率高的優點，因而將其用于活化pms時在一定程度上有效減少pms添加量，但是現有常規單原子催化劑用于活化pms時，為了最大程度的提高污染物的去除率，仍需添加較多的pms，其中pms的最小添加量仍然高達1mm～2mm，這不利于有效降低過單硫酸鹽活化技術的運營成本，同時大量使用的pms也會引入大量硫酸根從而會帶來二次污染，最終使得過單硫酸鹽活化技術難以廣泛開展實際應用。因此，獲得一種對pms活化效率高且能夠有效降低pms使用量的單原子催化劑，對于實現過單硫酸鹽活化技術的低成本應用并促進其在處理有機廢水中的廣泛應用具有重要意義。
技術實現思路
1、本專利技術要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種對pms活化效率高且能夠有效降低pms使用量的活化過單硫酸鹽的單原子催化劑及其制備方法和應用。
2、為解決上述技術問題，本專利技術采用以下技術方
3、一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑，包括氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片和金屬單原子，所述金屬單原子以不對稱配位結構瞄定在所述氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片上；所述金屬單原子為鐵單原子或鈷單原子。
4、上述的單原子催化劑，進一步改進的，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.1％～0.5％。
5、上述的單原子催化劑，進一步改進的，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.15％～0.3％。
6、作為一個總的技術構思，本專利技術還提供了一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑的制備方法，包括以下步驟：
7、s1、將ti3c2tx納米片、含氮源和硫源的前驅體、可溶性金屬鹽溶液混合進行自組裝反應，得到前驅體；所述可溶性金屬鹽溶液為可溶性鐵鹽溶液或可溶性鈷鹽溶液；
8、s2、對步驟s1中得到的前驅體進行冷凍干燥；
9、s3、對步驟s1中經冷凍干燥后得到的固體進行熱解，得到活化過單硫酸鹽的單原子催化劑。
10、上述的制備方法，進一步改進的，步驟s1中，所述ti3c2tx納米片、所述含氮源和硫源的前驅體、所述可溶性金屬鹽溶液中的可溶性金屬鹽的質量比為100∶100～600∶1.1～6.4；所述含氮源和硫源的前驅體為硫脲。
11、上述的制備方法，進一步改進的，步驟s2中，所述冷凍干燥在冷凍干燥機中進行；所述冷凍干燥的時間為24h～48h。
12、上述的制備方法，進一步改進的，步驟s3中，所述熱解在氮氣和氫氣的混合氣氛中進行；所述氮氣和氫氣的混合氣氛中氮氣、氫氣的體積比為9∶1；所述熱解過程中的升溫速率為3℃/min～8℃/min；所述熱解的溫度為350℃～450℃；所述熱解的時間為1h～4h；所述熱解完成后還包括以下處理：依次采用水和乙醇對熱解產物進行洗滌，在真空條件下對洗滌后的熱解產物進行干燥。
13、上述的制備方法，進一步改進的，所述單原子催化劑包括氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片和金屬單原子，所述金屬單原子以不對稱配位結構瞄定在所述氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片上；所述金屬單原子為鐵單原子或鈷單原子。
14、上述的制備方法，進一步改進的，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.1％～0.5％。
15、上述的制備方法，進一步改進的，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.15％～0.3％。
16、作為一個總的技術構思，本專利技術還提供了一種上述的單原子催化劑或上述制備方法制備的單原子催化劑作為過單硫酸鹽的催化劑在處理有機廢水中的應用。
17、上述的應用，進一步改進的，包括以下步驟：將單原子催化劑、過單硫酸鹽和有機廢水混合進行催化反應，完成對廢水中有機污染物的去除；所述催化反應的體系中過單硫酸鹽的濃度≤0.9mm。
18、上述的應用，進一步改進的，所述單原子催化劑的添加量為每升所述有機廢水中添加單原子催化劑0.01g～0.02g。
19、上述的應用，進一步改進的，所述催化反應的體系中過單硫酸鹽的濃度為0.05mm～0.6mm。
20、上述的應用，進一步改進的，所述有機廢水的濃度≤20μm。
21、上述的應用，進一步改進的，所述有機廢水中的有機污染物為對乙酰氨基苯酚。
22、上述的應用，進一步改進的，所述催化反應在攪拌條件下進行；所述攪拌的轉速為200r/min～500r/min；所述催化反應過程中控制體系的溫度為10℃～35℃；所述催化反應的時間為3min～8min。
23、本專利技術中，采用的ti3c2tx納米片的制備方法包括以下步驟：將lif加入到hcl溶液中攪拌均勻后，緩慢加入ti3alc2，繼續在35℃～45℃下攪拌24小時～36小時，用超純水洗滌至上清液的ph值為5.5～6.5，對剩余的沉淀進行超聲，離心，得到上層墨綠色的溶液，對其進行冷凍干燥，得到少層的ti3c2tx納米片。所述lif與hcl溶液的比例為1g～2g∶20ml～40ml；所述lif與ti3alc2的質量比為1～2∶1～2。
24、與現有技術相比，本專利技術的優點在于：
25、(1)針對現有單原子催化劑中存在的活化效率低且過單硫酸鹽添加量大等缺陷，本專利技術提供了一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑，包括氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片和金屬單原子，金屬單原子以不對稱配位結構瞄定在氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片上，其中金屬單原子為鐵單原子或鈷單原子。本專利技術中，通過將鐵單原子或鈷單原子以不對稱配位結構瞄定在氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片上，一方面，可以提高單原子催化劑的導電性，通過提升電子轉移速率，能夠促進提高單原子催化劑對過單硫酸鹽的活化效率，另一方面，可以為鐵單原子或鈷單原子構造不對稱配位的微環境，其優異的電子結構，可以在低過單硫酸鹽添加量的前提下使催化降解體系中形成大量活性氧物質，可實現有機廢水的高效凈化。本專利技術單原子催化劑，具有對過單硫酸鹽活化效率高且能夠有效降低過單硫酸鹽使用量等優點，是一種高效、低耗、可回收再利用的新型催化劑，使用價值高，應用前景好。
26、(2)本專利技術還提供了一種單原子催化劑的制備方法，先將ti3c2tx納米片、含氮源和硫源的前驅體、可溶性金屬鹽溶液(可溶性鐵鹽溶液或可溶性鈷鹽溶液)混合進行自組裝反應，利用靜電吸附作用，使含氮源和硫源的前驅體、金屬離子均勻吸本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑，其特征在于，包括氮硫共摻雜的Ti3C2Tx納米片和金屬單原子，所述金屬單原子以不對稱配位結構瞄定在所述氮硫共摻雜的Ti3C2Tx納米片上；所述金屬單原子為鐵單原子或鈷單原子。
2.根據權利要求1所述的單原子催化劑，其特征在于，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.1％～0.5％。
3.根據權利要求1或2所述的單原子催化劑，其特征在于，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.15％～0.3％。
4.一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟S1中，所述Ti3C2Tx納米片、所述含氮源和硫源的前驅體、所述可溶性金屬鹽溶液中的可溶性金屬鹽的質量比為100∶100～600∶1.1～6.4；所述含氮源和硫源的前驅體為硫脲。
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述冷凍干燥在冷凍干燥機中進行；所述冷凍干燥的時間為24h～48h；
7.根據權利要求4～6中任一項所述的
8.一種如權利要求1～3中任一項所述的單原子催化劑或權利要求4～7中任一項所述制備方法制備的單原子催化劑作為過單硫酸鹽的催化劑在處理有機廢水中的應用。
9.根據權利要求8所述的應用，其特征在于，包括以下步驟：將單原子催化劑、過單硫酸鹽和有機廢水混合進行催化反應，完成對廢水中有機污染物的去除；所述催化反應的體系中過單硫酸鹽的濃度≤0.9mM。
10.根據權利要求9所述的應用，其特征在于，所述單原子催化劑的添加量為每升所述有機廢水中添加單原子催化劑0.01g～0.02g；所述催化反應的體系中過單硫酸鹽的濃度為0.05mM～0.6mM；所述有機廢水的濃度≤20μM；所述有機廢水中的有機污染物為對乙酰氨基苯酚；所述催化反應在攪拌條件下進行；所述攪拌的轉速為200r/min～500r/min；所述催化反應過程中控制體系的溫度為10℃～35℃；所述催化反應的時間為3min～8min。
...【技術特征摘要】
1.一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑，其特征在于，包括氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片和金屬單原子，所述金屬單原子以不對稱配位結構瞄定在所述氮硫共摻雜的ti3c2tx納米片上；所述金屬單原子為鐵單原子或鈷單原子。
2.根據權利要求1所述的單原子催化劑，其特征在于，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.1％～0.5％。
3.根據權利要求1或2所述的單原子催化劑，其特征在于，所述金屬單原子的質量為所述單原子催化劑質量的0.15％～0.3％。
4.一種活化過單硫酸鹽的單原子催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
5.根據權利要求4所述的制備方法，其特征在于，步驟s1中，所述ti3c2tx納米片、所述含氮源和硫源的前驅體、所述可溶性金屬鹽溶液中的可溶性金屬鹽的質量比為100∶100～600∶1.1～6.4；所述含氮源和硫源的前驅體為硫脲。
6.根據權利要求5所述的制備方法，其特征在于，步驟s2中，所述冷凍干燥在冷凍干燥機中進行；所述冷凍干燥的時間為24h～48h；
7.根據權利要求4～6中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述單原子催化劑包括氮硫...
【專利技術屬性】
技術研發人員：袁興中，李淼，王侯，舒澳強，舒子涵，諶湘艷，
申請(專利權)人：湖南大學，
類型：發明
國別省市：
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