纳米材料在光催化领域的应用研究

—科教导刊（电子版）·2018年第22期/8月（上）—277纳米材料在催化领域中的应用研究杜亚丹张璐瑶江鑫梅程春艳(周口师范学院化学化工学院河南·周口466001)摘要材料、能源和信息是构成人类现代社会发展的三大支柱，其中纳米材料作为一种新型的功能材料，具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等纳米效应，使其表现出奇特的光、电、磁、热、力等独特性能，在陶瓷增韧、污水处理、环境净化、生物医药、化妆品、涂料和军事等领域具有广阔的应用前景。本文主要分析了纳米材料在催化领域中的应用研究，并对其未来的发展趋势进行了展望。关键词纳米材料催化应用中图分类号：TB38文献标识码：A纳米科技是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质，纳米材料是纳米科技的基础，被称为“跨世纪的新材料”，是21世纪最有前途的新型材料，由于材料尺寸小(在1～100nm范围内)，比表面积大，具有常规材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性以及在各领域广阔的应用前景。随着我国工业经济的快速发展，资源短缺和环境污染日益严峻，严重威胁了我国社会经济的可持续发展。而纳米光催化技术由于其可直接利用太阳光的特点，具有效率高、能耗低、适用范围广、无毒、绿色环保等优点，在环境治理中的应用日益受到人们的广泛关注和重视。本文主要分析了纳米材料在不同催化领域中的应用现状，并对其未来的发展趋势进行了展望。1纳米材料在催化领域的应用现状1.1纳米材料在化学反应中的催化作用催化剂在化学化工领域中发挥着重要作用，它可以降低温度、控制反应时间、提高反应效率和速度，具有较高的化学反应选择性。纳米粒子具有表面能高、比表面积大、表面原子数增多且配位数不足，导致纳米粒子具有较高的催化活性，尤其是金属纳米粒子独特的表面效应，使其在有机催化，如氧化反应、还原反应、氢化反应、聚合反应等方面具有广阔的应用前景。例如，纳米Cu粒子以及纳米Ni粒子在乙炔聚合反应中的催化作用，纳米Au/Al2O3催化氧化环己烷制备环己酮，纳米Rh催化的烯烃氢甲酰化反应，等等。1.2纳米材料在光催化降解有机污染物中的应用自从上世纪70年代Fujishima和和Honda发现TiO2能够光催化分解水制氢以来，半导体光催化技术将成为解决世界能源危机和环境污染的重要手段。目前用于降解有机污染物的光催化纳米材料绝大多数是金属氧化物或硫化物等半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS等。光催化机理主要是半导体光催化纳米材料的能带结构存在一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带，二者之间有一禁带，当用能量大于或等于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子被激发跃过禁带进入导带，形成电子-空穴对，并在电场作用下分离并迁移到半导体表面，与半导体表面的氧气和水反应生成羟基自由(·OH)与超氧负离子(O2-)等强氧化性活性基团，这些活性基团具有较强的氧化性能，可以把环境中的有机污染物物最终氧化降解为对人体健康无害的CO2、H2O以及其它无机盐。2013年孙莉等采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，同时掺杂钆元素，合成了催化剂稳定性好、催化活性高、可重复使用的钆掺杂TiO2纳米管阵列，在碱性条件下，钆掺杂浓度为0.0075mol/L时，光催化5h后，制药废水降解率高达97.41%。2014年程锦等采用低温水解法制备了纳米TiO2，在室温，湿度为50%，紫外灯照射120min，甲醛降解率达到93%。2016年薛超等以醋酸锌和对苯二甲酸为原料，经过溶剂热和高温煅烧后，合成出太阳光照射下催化活性较高的纳米ZnO材料，太阳光光催化降解甲基橙溶液27min后，甲基橙降解率达到99%。1.3纳米材料在热催化中的作用金属纳米超微颗粒的表面具有很高的活性，十分活泼，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，可以作为助燃剂在燃料中使用。如纳米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃烧效率达100倍以上。2016年黄鑫辰等利用多元醇介导自组装法制备出了哑铃状形貌的Fe3O4前驱体，在300℃下反应30min时，对十溴联苯的热催化降解率几乎已达到100%，表现出较高的降解活性。2结语目前随着纳米科技的快速发展，纳米材料由于尺寸小，具有许多独特的物理、化学特性，已成为当前材料研究最活跃的领域之一。然而，从纳米材料的基础研究和实际应用来看，目前其研究还存在着许多问题。首先，一些半导体光催化剂禁带宽度较宽，只能在400nm以下波长的光照射时才具有光催化活性，光生电子-空穴对容易复合，太阳光利用率低，严重制约了其在实际中的应用。因此，如何提高半导光催化剂的催化活性将成为人们今后研究的重点。其次，纳米材料制备方法多种多样，各有千秋，其生长机理还不完全清楚等等，需要进一步改进合成方法，合成一批结构和形貌较好，性能优异的纳米光催化材料。再者，加大规模生产和实际应用领域研究，促进光催化技术大规模的工业化实际应用。随着科学技术的不断进步，上述问题将会得到逐渐解决，纳米光催化技术将会得到充分的发展，纳米材料的应用前景也将会更加广阔。（通讯作者：杨志广）基金项目：周口师范学院化学化工学院大学生科研创新基金项目(HYDC2018001)。作者简介：杨志广(1980-)，男，汉族，河南周口人，博士，讲师，研究方向为无机纳米材料和有机功能材料。参考文献[1]孙莉,白书立,姜庆叶等.钆掺杂二氧化钛纳米管光催化降解制药废水[J].工业用水与废水,2013,44(01):49-53．[2]程锦,李朝维,李奇,等.纳米二氧化钛光催化涂料的制备及其甲醛降解效果研究[J].涂料工业,2014,44(11):41-45．[3]薛超,张文丽.氧化锌纳米材料的制备及太阳光催化降解甲基橙[J].广东化工,2016,43(03):5-5．[4]黄鑫辰,宗刚,刘烨煊,等.自组装哑铃状Fe3O4微/纳米材料对十溴联苯的热催化降解[J]．环境科学,2016,37(02):765-774

纳米TiO2材料的制备及其光催化性能研究

随着经济的发展，人们生活水平的提高，人们逐渐意识到可持续发展的重要。环境问题已严重影响现代文明的发展，有机污染物具有持久性的特点而长期威胁人类健康，开发和设计仅利用太阳能即可完成对有机污染物降解的新材料将会是解决环境问题的有效方法之一。纳米TiO2作为一种光催化材料，具有优异的物理和化学性质，因而被广泛应用和重点研究。本文就纳米TiO2材料的制备及其光催化性能展开探讨。

标签：纳米TiO2;光催化;制备方法;光催化效能

引言

半导体光催化技术是解决环境污染与能源短缺等问题的有效途径之一。以二氧化钛为代表的光催化剂在染料敏化太阳能电池、锂离子电池、光伏器件以及光催化领域表现出明显的使用优势.但是TiO2本身的弱可见光吸收、低电导率、高载流子复合速率限制了其在工业生产中的进一步使用。科技工作者一般通过掺杂、半导体复合、燃料敏化、表界面性质改性等方法提高TiO2的光电化学性能，使其能在生产实践中广泛应用。

1、TiO2材料简介

TiO2在自然界中的主要存在形态为金红石、锐钛矿和板钛矿三种晶型，其中金红石是TiO2的高温相，锐钛矿和板钛矿两种形态是TiO2的低温相。在三种晶型中光催化活性最好的为锐钛矿型TiO2。锐钛矿型TiO2的禁带宽度为3.2eV与之对应的激发波长为387nm。所以，TiO2作为光催化剂在紫外光条件下具有催化活性，在可见光下一般没有活性。只有对它的结构进行改性，使它的禁带宽度得以缩小，才可以实现材料在可见光条件下的催化降解反应。改性的方式目前主要有以下几种方法：通过改变晶体内部结构来改变催化剂禁带宽度的离子掺杂方法，通过形成异质结改变能带结构的半导体复合法，提高催化剂对光的吸收能力的表面光敏化法，增大催化剂比表面积使晶粒细化的负载载体法等。光催化材料中电子e一和空穴h十的浓度会影响有机物的降解速度。粒径的减小能够使表面原子增加，使光催化剂吸收光的效率显著提高，使其表面e一和h十的浓度增大，从而提高光催化剂的催化活性。纳米材料不仅仅具备粒径小的优点，而且还具备了小尺寸所带来的特殊的性质，这些特性将在未来的绿色革命中大展拳脚，给环境保护带来巨大的进展。纳米TiO2能够光催化降解水中多种污染物，对染料、卤代烃、多环芳烃、酚类、表面活性剂和农药等都具有降解能力。用TiO2作为光催化剂，可以使多达60多种含氯化合物在光照条件下氧化还原而生成COa和H20等物质。纳米尺度的TiO2相比与普通二氧化钛具有更好的光催化性能，但由于粒径细小在反应过程中容易流失，而且大量的悬浮纳米级光催化剂会阻挡光的吸收也给废水处理后的分离造成极大的困难。由于这些应用中的困难，近年来固定相纳米光催化技术成为了热点研究，进行TiO2纳米膜及其负载技术的催化氧化实验成为主流。在TiO2光催化氧化处理有机污染物方面，国内现在

纳米材料在催化领域的应用

黎先财,　赖志华,　罗来涛

(南昌大学化学系,江西南昌　330047)

摘　要:概述了近年来纳米材料在催化领域的应用和研究进展,介绍了纳米催化材料的优异特性,

指出了纳米催化材料的开发和应用前景。

关键词:纳米材料;催化;光催化;加氢催化

中图分类号:O643.3 文献标识码:A

文章编号:036726358(2003)1020554204

收稿日期:2002206210;修回日期:20032052

10作者简介

:黎先财(1961～),男,博士,教授,研究方向为无机材料

,Email:xcli@ApplicationofNanostructuredMaterialsinCatalyticField

LIXian2cai,　LAIZhi2hua,　LUOLai2tao.

(DepartmentofChemistry,NanchangUniversity,JiangxiNanchang330047,China)

Abstract:Theapplicationandresearchdevelopmentofnanostructuredmaterialsinrecentyearsincatalytic

fieldaresummarized.Theexcellentcharacteristicsofnanostructuredcatalyticmaterialsareintroduced,

andtheprospectofnanostructuredcatalyticmaterialsispointedout..

Keywords:nanostructuredmaterials;catalysis;photocatalysis;catalytichydrogenation

纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领

域,纳米材料的概念形成于20世纪80年代,在上世

纪90年代初期取得较大的发展。广义地说,纳米材

化学催化中的纳米催化剂设计与应用

观察我们周围的世界，化学反应随处可见。不难想象，化学反应的速率直接影响着周围环境的变化。化学催化是一种能够提高化学反应速率的技术。在催化反应中，催化剂是一个关键因素。近年来，纳米催化剂因其特殊的性质和独特的表面结构成为理想的催化剂。在化学催化中，纳米催化剂设计和应用引起了极大的关注。

一、纳米催化剂的定义和特点

纳米是物质的一种形态，指的是颗粒的尺寸在1到100纳米之间的物质，大概是人类头发直径的百分之一。和微米级别的粒子相比，纳米级别的粒子有着特殊的性质，因此可以用于制造纳米催化剂。

纳米催化剂是由纳米粒子组成的催化剂。与普通催化剂相比，纳米催化剂的表面积更大，表面处于一种高能量状态，更容易吸附反应物分子，因此催化活性更高。此外，纳米催化剂还具有普通催化剂所没有的诸如形貌、晶格、表面成键、量子效应等独特的性质，使其在绿色化学、精细化学等领域有着广泛的应用前景。

二、纳米催化剂的设计方法和应用

设计一种好的纳米催化剂需要考虑多个方面，包括催化中心、载体、形貌、晶格、表面成键和表面缺陷等。选择合适的催化中心、载体以及催化剂的形貌可以调控反应的催化性能和反应选择性。晶格和表面成键则能够影响催化剂的稳定性，影响催化剂的使用寿命。表面缺陷能够导致一些未知的催化性质和活性位点，同时也会影响催化剂的稳定性。

设计一种好的纳米催化剂需要综合考虑多个方面，因此设计纳米催化剂的过程中，通常需要采用多样化的方法。例如，通过化学还原、溶胶-凝胶、溶剂热法、微乳法和电沉积等方法可以制备出不同形貌、晶格结构和表面成键性质的纳米催化剂。

纳米催化剂广泛应用于多种化学反应，例如脱氢反应、氧化反应、碳水化物转化反应等。下面以氧化反应为例，介绍纳米催化剂在此类反应中的应用。

氧化反应涉及多种不同的化学反应，例如SCR、COX、NOX等反应。在SCR（选择性催化还原）反应中，NOx分子与NH3分子反应，生成N2和H2O。基于铜、铁和钨等催化剂设计的纳米催化剂可以高效地催化此反应，达到自净效果。在COX（一氧化碳）反应中，纳米催化剂可以将一氧化碳和氧气催化氧化，产生热量并升高燃烧效率。NOX反应需要通过选择合适的纳米催化剂，将NOx分子催化还原成无害的N2和H2O，这可以降低因此类污染物对人体健康和环境的影响。