本發(fā)明屬于環(huán)境功能化材料制備以及治理領(lǐng)域，具體涉及一種n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、水體中的n、p含量持續(xù)上升，使得許多自然水體中出現(xiàn)了水體富營養(yǎng)化，同時伴隨著藻類大量繁殖和水華現(xiàn)象的發(fā)生，我國的滇池、太湖和巢湖等就深受藍(lán)藻水華折磨。

2、藍(lán)藻水華的爆發(fā)除了會給湖泊水體帶來污染外，還會向水中釋放大量的藻類毒素，藍(lán)藻水華中最常見、毒性最強的藍(lán)藻毒素被稱為微囊藻毒素(mcs)。mcs通常是由5個氨基酸(adda、glu、mdha、ala、measp)和2個可變氨基酸(用x和y表示)組成的固定序列。x和y的不同組合會形成多種mcs異構(gòu)體，如mc-lr、mc-rr和mc-yr(l、r、y分別代表亮氨酸、精氨酸和酪氨酸)。

3、mc-lr是最常見的mcs形式，占藍(lán)藻中mcs總濃度的46～99.8％，同時mc-lr也具有最強的急性毒素，其次是mc-yr，而mc-rr的毒性最弱。mc-lr還被國際癌癥研究機構(gòu)列為2b類致癌物，mc-lr被攝入后，會通過載體蛋白迅速進(jìn)入肝臟，抑制肝細(xì)胞中蛋白磷酸酶的活性。mc-lr還會促進(jìn)致癌物質(zhì)的表達(dá)，誘發(fā)癌癥。此外，水體中的污染物還有外源污染物，如磺胺甲噁唑(smx)。因此，開發(fā)一種高效去除水體中污染物的技術(shù)，對污染水體的修復(fù)以及對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。

4、由于過硫酸鹽具有高的氧化還原電位、寬的ph操作范圍、較長的半衰期和穩(wěn)定性，能夠高效去除mc-lr和smx。過一硫酸鹽(pms)被co2+、mn2+或fe2+等多種過渡金屬離子催化活化可生成·o和so4·-等多種自由基，從而實現(xiàn)對mc-lr和smx的高效去除。

5、目前，激活pms的催化劑一般為co基催化劑和炭基催化劑。co基催化劑在使用時容易浸出金屬離子，易大于《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(gb3838-2002)中co濃度低于1.0mg·l-1的要求，進(jìn)而造成水體二次污染；碳基催化劑存在激活效率緩慢的問題。因此，亟需提供一種激活效率高且不會造成水體二次污染的催化劑。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用。本發(fā)明提供的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料金屬浸出量少，不會造成水體二次污染；且對pms的激活效率高。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下方案：

3、本發(fā)明提供了一種n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，包括n摻雜缺陷碳骨架以及負(fù)載在所述n摻雜缺陷碳骨架中的非晶態(tài)co納米顆粒。

4、優(yōu)選的，所述非晶態(tài)co納米顆粒的質(zhì)量為n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料質(zhì)量的1～2％。

5、優(yōu)選的，所述n摻雜缺陷碳骨架中，n原子的摻雜量為35～40％。

6、本發(fā)明提供了上述方案所述n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

7、將水溶性鈷鹽、咖啡渣生物炭和水混合，固液分離后，將所得固體物質(zhì)經(jīng)冷凍干燥得到負(fù)載co離子的生物炭；

8、將所述負(fù)載co離子的生物炭和氮源混合，進(jìn)行煅燒，得到所述n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料；所述氮源為雙氰胺或三聚氰胺。

9、優(yōu)選的，所述水溶性鈷鹽包括co(no3)2·6h2o；所述水溶性鈷鹽的質(zhì)量為所述咖啡渣生物炭質(zhì)量的0～9.5％，且不為0。

10、優(yōu)選的，所述冷凍干燥的溫度為10～70℃，時間為12～24h。

11、優(yōu)選的，所述負(fù)載co離子的生物炭和所述氮源的質(zhì)量比為1:(5～20)。

12、優(yōu)選的，所述煅燒的溫度為600～800℃，保溫時間為2h。

13、優(yōu)選的，升溫至所述煅燒的溫度的升溫速率為3～8℃/min。

14、本發(fā)明提供了上述方案所述n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料或上述方案所述制備方法制備得到的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，作為催化劑在催化過一硫酸鹽降解水體污染物中的應(yīng)用。

15、本發(fā)明提供了一種n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，包括n摻雜缺陷碳骨架以及負(fù)載在所述n摻雜缺陷碳骨架中的非晶態(tài)co納米顆粒。

16、本發(fā)明提供的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料為非晶態(tài)co顆粒負(fù)載于缺陷碳骨架上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，其提供了金屬和碳材料多重活性位點，非晶態(tài)co激發(fā)自由基過程，缺陷碳材料激發(fā)非自由基氧化過程，兩個過程在活化過程中同時發(fā)生，從而提升了pms的激活效率。

17、本發(fā)明提供的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料中表現(xiàn)出金屬浸出量少(在復(fù)合材料降解mc-lr的循環(huán)圖測試中，第一次循環(huán)到第五次循環(huán)浸出量分別為0.853mg·l-1、0.587mg·l-1、0.439mg·l-1、0.354mg·l-1和0.273mg·l-1)、再生能力強、且穩(wěn)定性良好，作為催化劑用于激活pms時，對水中的微囊藻毒素lr以及smx有優(yōu)異的去除能力，且能夠?qū)崿F(xiàn)催化劑的長期利用。

18、本發(fā)明采用真空冷凍干燥和熱氧化工藝(煅燒)制備出n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，所述非晶態(tài)co納米顆粒均勻負(fù)載在所述n摻雜缺陷碳骨架中，碳骨架材料在n源(雙氰胺或者三聚氰胺)熱氧化(煅燒)過程中會產(chǎn)生含氮氣體，氣泡從內(nèi)部穿透到材料外表面的過程中形成了孔洞結(jié)構(gòu)，因此促進(jìn)co活性物質(zhì)的高度分散和電子轉(zhuǎn)移過程。

19、本發(fā)明提供的制備方法簡單，且采用咖啡渣生物炭作為原料，能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物咖啡渣的再利用。

技術(shù)特征：

1.一種n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，包括n摻雜缺陷碳骨架以及負(fù)載在所述n摻雜缺陷碳骨架中的非晶態(tài)co納米顆粒。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，其特征在于，所述非晶態(tài)co納米顆粒的質(zhì)量為n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料質(zhì)量的1～2％。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，其特征在于，所述n摻雜缺陷碳骨架中，n原子的摻雜量為35～40％。

4.權(quán)利要求1～3任意一項所述n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述水溶性鈷鹽包括co(no3)2·6h2o；所述水溶性鈷鹽的質(zhì)量為所述咖啡渣生物炭質(zhì)量的0～9.5％，且不為0。

6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的制備方法，其特征在于，所述冷凍干燥的溫度為10～70℃，時間為12～24h。

7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述負(fù)載co離子的生物炭和所述氮源的質(zhì)量比為1:(5～20)。

8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，所述煅燒的溫度為600～800℃，保溫時間為2h。

9.根據(jù)權(quán)利要求4或8所述的制備方法，其特征在于，升溫至所述煅燒的溫度的升溫速率為3～8℃/min。

10.權(quán)利要求1～3任一項所述n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料或權(quán)利要求4～9任意一項所述制備方法制備得到的n摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)co納米顆粒復(fù)合材料，作為催化劑在催化過一硫酸鹽降解水體污染物中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種N摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)Co納米顆粒復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用，屬于環(huán)境功能化材料制備以及治理領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種N摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)Co納米顆粒復(fù)合材料，包括N摻雜缺陷碳骨架以及負(fù)載在所述N摻雜缺陷碳骨架中的非晶態(tài)Co納米顆粒。本發(fā)明提供的N摻雜缺陷碳負(fù)載非晶態(tài)Co納米顆粒復(fù)合材料中金屬浸出量少、再生能力強、且穩(wěn)定性良好，作為催化劑用于激活PMS時，對水中的微囊藻毒素LR以及SMX有優(yōu)異的去除能力，且能夠?qū)崿F(xiàn)催化劑的長期利用。

技術(shù)研發(fā)人員：毛鏡濤,程國友,胡廣志,楊志華,段正達(dá),楊其一,馬俊強,常鳳琴,劉正雄,代紹海,馬尚彪,李長青,賀權(quán)黨,李愛鵬,饒鳳玲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鶴慶縣林業(yè)生態(tài)投資開發(fā)有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2