基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂及其制备与应用

摘要

本发明公开一种基于photo‑Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂及其制备与应用，其是在利用水热合成法制备的CuS@Fe

说明书

技术领域

本发明涉及无机纳米材料及环境领域，具体是涉及一种基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂及其制备与应用。

背景技术

近年来，由于工业化进程的高速发展，导致有机污染物的过量排放问题日趋严重。其中，水溶性污染物是造成环境中地表水和地下水污染的最直接原因。而且，许多污染物很难用常规化学或生物方法进行有效处理，水净化工程迎来巨大挑战。

早年间抗生素作为一类能改善人类健康的药物在很长一段时间内都得到广泛的使用，但是正是由于过度使用的问题以及它们在水环境中持久难分解的特性，使得抗生素如今已成为一种新兴的污染物。过量抗生素的存在不仅会对水生和陆地生物构成威胁，而且还可能诱导细菌产生耐药性。目前，利用常规手段并不能有效地降解水中的抗生素。因此，迫切需要研发一种有效的策略或者方法来实现水体中抗生素净化的目标。

Fenton反应是高级氧化过程(AOPs)之一，被认为是处理水污染物的有效方法。Fenton反应是通过催化分解H

中国专利CN112062200A公开一种含Cu生物炭吸附协同催化氧化去除水体中四环素的方案，其利用含Cu生物炭催化剂与过氧化氢溶液形成非均相类Fenton体系，产生羟基自由基降解四环素，还通过掺杂金属Fe使催化剂获得磁响应特性，使其在外加磁场作用下易于从体系中分离；CN112062200A公开一种微米级类芬顿催化剂及其制备方法和应用，该类Fenton催化剂是黄铜矿CuFeO

微纳米马达能将化学能转化为自主运动的特性引起了相关领域技术人员的浓厚兴趣。微纳米马达的自驱动运动可以使周围的流体在受污染的样品之间更强地混合，从而加速污染物的降解。特别是对于依靠气泡推动力实现自驱动的微纳米马达，持续产生微气泡进一步增强了溶液中的传质，进而可提高降解效果。如将自驱动的微纳米马达与高效地AOPs工艺相结合，不仅能够取缔外部机械的使用，而且可以实现长距离、大范围作业，甚至可以深入到传统手段无法触及的狭小空间执行净水任务。

因此，将卓越的自驱动能力与非均相photo-Fenton催化相结合，必将会为水污染治理提供了一种高效、环保、低成本的污染物降解策略，为水体净化带来了新思路和新方案。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂及其制备与应用，该催化剂具有独特的定向自驱动特性，在含有双氧水的溶液中具有高的运动速度，而且在磁场和光辐射的双重刺激响应下可以实现多种模式的推进和引导。

本发明的技术方案为：一种基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂，该自驱动催化剂CuS@Fe

该自驱动催化剂能够利用自身的不对称性通过催化过氧化氢分解产生的气泡获得驱动力以增强溶液中的传质；

该自驱动催化剂具备磁控定向运动的特性，可磁性回收利用；

该自驱动催化剂在紫外线照射下可向光点处聚集，具备光响应的集群定向运动特征。

上述基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂的制备方法如下：

(1)CuS微球的制备

将0.2～0.4g CuCl

(2)CuS@Fe

将0.3～0.6g的CuS微球超声分散在30mL的去离子水中，将0.3g的柠檬酸钠、0.1g的FeCl

(3)CuS@Fe

将0.5～1.0mg的CuS@Fe

进一步地，步骤(1)中，加热反应温度为120-130℃，保温8～14h。

进一步地，步骤(2)中，加热反应温度为180-240℃，保温2～6h。

进一步地，步骤(3)中，铂靶溅射时真空度为6～8Pa，溅射电压为8～10mA，溅射时间为6～8s。

上述基于photo-Fenton反应降解四环素的自驱动催化剂可用于降解水体污染物四环素，具体操作时是先将配制的CuS@Fe

本发明的有益效果为：

1.本发明通过将光催化剂和Fenton反应相结合而制备出基于photo-Fenton反应的自驱动催化剂，该复合催化材料能够利用自身的不对称性通过催化过氧化氢分解产生气泡获得驱动力，同时，产生的微气泡进一步增强了溶液中的传质，在可见光的照射下，可快速高效地降解水中污染物；

2.本发明制备的自驱动的催化剂在磁场和光辐射的刺激响应性下、能够在不同的体系下实现推进和引导，磁性响应实现催化剂快速分离和收集，CuS本身的光热效应可以造成溶液中热量的不均匀分布，光刺激响应可以实现催化剂的群体性运动；

3.本发明制备的基于photo-Fenton反应的自驱动催化剂可以通过自主运动和所产生气泡的作用，增强周围流体的混合，加速活性物质产生，克服机械搅拌的限制，不受设备制约，方便回收再利用，绿色环保避免二次污染；

4.由于本发明制备的自驱动催化剂是通过催化双氧水分解产生的气泡的推动力推动着复合材料自主运动的，相比于机械推动而言，该种推动方式可促使催化剂深入到传统手段无法触及的狭小空间执行任务，缩短操作时间，提高治理效率；

5.本发明也可用于制备其它具有自驱动特性的催化剂，通过电子束蒸镀、离子溅射等其它物理气相沉积方法负载金属层，此外，铂金属可以用银等其它能够催化双氧水分解的金属代替，所氧化降解的污染物也不限于四环素，能够通过photo-Fenton反应氧化降解的污染物均可通过此方法提高降解效率，应用范围广，有助于拓宽水净化领域的处理思路。

附图说明

图1中A为实施例1制备的CuS微球的扫描电镜(SEM)图，B和C为实施例1制备的CuS@Fe

图2为实施例1制备的CuS@Fe

图3中A为实施例1制得的CuS@Fe

图4中A为实施例1制得的CuS@Fe

图5为实施例1制得的CuS@Fe

图6中A为实施例1制得的CuS@Fe

图7为实施例1制得的CuS@Fe

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

实施例1：CuS@Fe

(1)CuS微球的制备

将0.2g的CuCl

(2)CuS@Fe

将0.3g的CuS微球超声分散在30mL的去离子水中，将0.3g的柠檬酸钠、0.1g的FeCl

(3)CuS@Fe

将0.5mg的CuS@Fe

对实施例1所制备的CuS微球、CuS@Fe

图1中A为实施例1步骤(1)所制备的CuS微球的扫描电镜(SEM)图，CuS微球为直径约为5微米的片层堆积的球形，片层堆积的多孔结构为Fe

图1中B和C为实施例1步骤(2)所制备的CuS@Fe

图2展示实施例1步骤(3)所制备的CuS@Fe

实施例2：CuS@Fe

实施例2与实施例1的不同之处仅在于，步骤(1)中CuCl

实施例3：CuS@Fe

实施例3与实施例1的不同之处仅在于，步骤(2)中CuS微球的质量为0.6g，加热保温时间2h，其它步骤过程与实施例1中均相同。

实施例4：CuS@Fe

实施例4与实施例1的不同之处仅在于，步骤(3)中CuS@Fe

相关性能检测：

1、自驱动性能测试

将实施例1所制备的CuS@Fe

对实施例1中所制备的CuS@Fe

2、磁控定向运动和磁性回收利用性能检测

对实施例1所制备的CuS@Fe

3、集群驱动性能的检测

将CuS@Fe

图5展示在不同方向紫外光照射下，CuS@Fe

4、基于photo-Fenton反应、利用CuS@Fe

配制20mL浓度为30mg/L的四环素废水溶液，然后加入16mg实施例1中制备的CuS@Fe

如图6所示，为了探讨不同条件下催化剂对四环素降解速率的影响，依次将相同质量的CuS@Fe

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。