一种简易的硫辅助方法制备多孔蜂窝状的铁超小原子簇和单原子Fe/g-C3N4

• 作者: Jeffrey T.Miller 刘中民 刘伟 刘佳强 安素峰 宋春山 宛刚 张光辉 李克艳 梁言 纪东辉 郭新闻
• 来源期刊: 催化学报
• 关键词: 硫辅助法 多孔蜂窝状结构 超小原子簇和单原子 Fe/g-C3N4 高级氧化技术
• 年，卷（期）: 2020,（8）
• 所属期刊栏目: 论文
• 页码范围: 1198-1207
• 页数: 10页
• 字数: 1595字
• 语种: 中文
• DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63529-X

摘要

超小原子簇和单原子分散的活性位点(USCAD)催化剂由于其高原子利用率、高活性、高稳定性等优点,成为多相催化领域一个新兴的研究热点.USCAD通常由载体缺陷、配体和分子筛或金属有机框架的孔道和笼锚定.而制备高密度的USCAD催化剂需要载体上有足够的锚定位点.石墨相氮化碳(g-C3N4)具有高稳定性、高密度且均匀分散的氮原子,是制备USCAD催化剂的理想载体.但是传统热解法制备的金属/g-C3N4催化剂通常为块体结构,会导致金属物种被严重包覆,进而导致催化活性下降.加入固体模板可以制备得到多孔金属g-C3N4催化剂,但是后续复杂的除模板过程制约了其实际应用.因此,开发一种简易的无模板方法制备USCAD金属/g-C3N4催化剂具有重要意义.本工作开发了一种简易的硫辅助热解法制备得到蜂窝状结构的高密度(Fe载量为17.7 wt％)USCAD Fe/g-C3N4催化剂.其多孔蜂窝状结构使催化剂能够暴露更多的USCAD Fe活性位点,增加了活性位点与反应物的可接近性.通过球差电镜和同步辐射X射线吸收技术证明了Fe物种的分散形式.硫辅助热解法只需要在热解铁盐/三聚氰胺前驱体中加入适量的硫源即可得到蜂窝状的USCAD Fe/g-C3N4催化剂.硫元素作为一种"牺牲载体"通过与铁离子配位促进铁物种在前驱体混合物中分散,经过高温煅烧后以SO2的形式释放而不残留在催化剂中,免除了后续的除模板过程.通过TG-MS,XPS和IR等手段证明了硫元素在热解过程中的状态变化.这种硫辅助热解法表现出非常好的普适性,改变硫源种类(硫脲、硫粉、硫氰酸铵)和铁盐种类都可以得到具有蜂窝状孔道结构的USCAD Fe/g-C3N4催化剂.将催化剂应用于高级氧化过程可以高效降解各种有机污染物(苯酚、亚甲基蓝、亚甲基橙、罗丹明B),催化剂性能远远优于文献报道的其它Fe基催化剂和传统热解法制备的Fe/g-C3N4催化剂.该硫辅助热解法为无模板法制备纳米多孔USCAD金属/g-C3N4催化剂开辟了一条简易可行的途径.