納米材料在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

1、    納米材料在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用研究    杜亞丹 張璐瑤 江鑫梅 程春艷摘 要 材料、能源和信息是構(gòu)成人類現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的三大支柱，其中納米材料作為一種新型的功能材料，具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等納米效應(yīng)，使其表現(xiàn)出奇特的光、電、磁、熱、力等獨(dú)特性能，在陶瓷增韌、污水處理、環(huán)境凈化、生物醫(yī)藥、化妝品、涂料和軍事等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要分析了納米材料在催化領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞 納米材料 催化 應(yīng)用：tb38 ：a納米科技是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過(guò)直接操縱和安排

2、原子、分子而創(chuàng)造新物質(zhì)，納米材料是納米科技的基礎(chǔ)，被稱為“跨世紀(jì)的新材料”，是21世紀(jì)最有前途的新型材料，由于材料尺寸小（在1100 nm范圍內(nèi)），比表面積大，具有常規(guī)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學(xué)特性以及在各領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景。隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，資源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅了我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。而納米光催化技術(shù)由于其可直接利用太陽(yáng)光的特點(diǎn)，具有效率高、能耗低、適用范圍廣、無(wú)毒、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)境治理中的應(yīng)用日益受到人們的廣泛關(guān)注和重視。本文主要分析了納米材料在不同催化領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。1納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀1.1納米材

3、料在化學(xué)反應(yīng)中的催化作用催化劑在化學(xué)化工領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，它可以降低溫度、控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和速度，具有較高的化學(xué)反應(yīng)選擇性。納米粒子具有表面能高、比表面積大、表面原子數(shù)增多且配位數(shù)不足，導(dǎo)致納米粒子具有較高的催化活性，尤其是金屬納米粒子獨(dú)特的表面效應(yīng)，使其在有機(jī)催化，如氧化反應(yīng)、還原反應(yīng)、氫化反應(yīng)、聚合反應(yīng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，納米cu粒子以及納米ni粒子在乙炔聚合反應(yīng)中的催化作用，納米au/al2o3催化氧化環(huán)己烷制備環(huán)己酮，納米rh催化的烯烴氫甲?；磻?yīng)，等等。1.2納米材料在光催化降解有機(jī)污染物中的應(yīng)用自從上世紀(jì)70年代fujishima和和honda發(fā)現(xiàn)tio2

4、能夠光催化分解水制氫以來(lái)，半導(dǎo)體光催化技術(shù)將成為解決世界能源危機(jī)和環(huán)境污染的重要手段。目前用于降解有機(jī)污染物的光催化納米材料絕大多數(shù)是金屬氧化物或硫化物等半導(dǎo)體材料，如tio2、zno、fe2o3、cds、zns、pbs等。光催化機(jī)理主要是半導(dǎo)體光催化納米材料的能帶結(jié)構(gòu)存在一個(gè)充滿電子的低能價(jià)帶和一個(gè)空的高能導(dǎo)帶，二者之間有一禁帶，當(dāng)用能量大于或等于禁帶寬度的光照射時(shí)，其價(jià)帶上的電子被激發(fā)躍過(guò)禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)，并在電場(chǎng)作用下分離并遷移到半導(dǎo)體表面，與半導(dǎo)體表面的氧氣和水反應(yīng)生成羥基自由（·oh）與超氧負(fù)離子（o2-）等強(qiáng)氧化性活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)具有較強(qiáng)的氧化性能，可

5、以把環(huán)境中的有機(jī)污染物物最終氧化降解為對(duì)人體健康無(wú)害的co2、h2o 以及其它無(wú)機(jī)鹽。2013年孫莉等采用陽(yáng)極氧化法制備tio2納米管陣列，同時(shí)摻雜釓元素，合成了催化劑穩(wěn)定性好、催化活性高、可重復(fù)使用的釓摻雜tio2納米管陣列，在堿性條件下，釓摻雜濃度為0.0075mol/l時(shí)，光催化5h后，制藥廢水降解率高達(dá)97.41%。2014年程錦等采用低溫水解法制備了納米tio2，在室溫，濕度為50%，紫外燈照射120 min，甲醛降解率達(dá)到93%。2016年薛超等以醋酸鋅和對(duì)苯二甲酸為原料，經(jīng)過(guò)溶劑熱和高溫煅燒后，合成出太陽(yáng)光照射下催化活性較高的納米zno材料，太陽(yáng)光光催化降解甲基橙溶液27 min

6、后，甲基橙降解率達(dá)到99%。1.3納米材料在熱催化中的作用金屬納米超微顆粒的表面具有很高的活性，十分活潑，在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒，可以作為助燃劑在燃料中使用。如納米ni粉催化火箭燃料，可以提高燃燒效率達(dá)100倍以上。2016年黃鑫辰等利用多元醇介導(dǎo)自組裝法制備出了啞鈴狀形貌的fe3o4前驅(qū)體，在300下反應(yīng)30 min時(shí)，對(duì)十溴聯(lián)苯的熱催化降解率幾乎已達(dá)到100%，表現(xiàn)出較高的降解活性。2結(jié)語(yǔ)目前隨著納米科技的快速發(fā)展，納米材料由于尺寸小，具有許多獨(dú)特的物理、化學(xué)特性，已成為當(dāng)前材料研究最活躍的領(lǐng)域之一。然而，從納米材料的基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，目前其研究還存在著許多問(wèn)題。首先，一些半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度較寬，只能在400 nm以下波長(zhǎng)的光照射時(shí)才具有光催化活性，光生電子-空穴對(duì)容易復(fù)合，太陽(yáng)光利用率低，嚴(yán)重制約了其在實(shí)際中的應(yīng)用。因此，如何提高半導(dǎo)光催化劑的催化活性將成為人們今后研究的重點(diǎn)。其次，納米材料制備方法多種多樣，各有千秋，其生長(zhǎng)機(jī)理還不完全清楚等等，需要進(jìn)一步改進(jìn)合成方法，合成一批結(jié)構(gòu)和形貌較好，性能優(yōu)異的納米光催化材料。再者，加大