材料化学在新能源领域中的应用研究

—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

材料化学工程的应用及发展趋势研究

摘要：随着科学技术的不断进步和人类社会的发展，材料化学工程在各个领域扮演着重要的角色。材料化学工程作为一门综合性学科，涉及材料的合成、性能测试、加工成型等多个方面，广泛应用于新能源、环境保护、电子信息、生物医药等诸多领域。

关键词：材料化学工程；应用；发展趋势

引言

材料化学工程是一门涉及材料合成、加工、改性和性能优化的领域，被广泛应用于能源、环境、医药、电子等诸多领域。随着科学技术的不断进步和社会需求的不断增长，材料化学工程的应用和发展呈现出新的趋势。

1.材料化学工程的概述

材料化学工程是研究材料的合成、制备、性能、加工和应用的一门学科。它旨在开发新材料、改进现有材料，并研究材料与不同环境之间的相互作用。材料化学工程涉及多个领域，如能源、电子、医药、环境等，并且具有广泛的应用前景。在材料化学工程中，科学家和工程师利用化学、物理和工程原理，通过材料的结构设计和调控，实现所需的性能和功能。其研究内容包括材料的合成方法、性质表征、力学测试、加工技术等，以满足社会对高性能、环保和可持续发展材料的需求。随着科技的进步，材料化学工程在改善生活质量、推动产业发展以及解决全球挑战方面发挥着重要作用。

2.材料化学工程的应用研究

2.1新材料的合成与制备技术

新材料的合成与制备技术是材料化学工程领域中的重要研究内容，随着科学技术的不断进步，人们对于具备特定性能和功能的新材料的需求也日益增加。合成与制备新材料的技术是实现这些需求的关键。在新材料的合成方面，传统的方法包括溶液法、凝胶法、固相反应等，但随着纳米科技和先进材料的发展，新的合成方法不断涌现，例如，有机合成化学、固相化学、气相沉积等技术被广泛应用于新材料的合成中。这些方法可以控制材料的形貌、组分、结构等参数，从而调控材料的性能和功能。制备新材料的技术则包括材料的成膜、纳米粒子的制备、纳米结构的组装等，采用各种方法，如物理气相沉积、溶液法、浮床技术等，可以制备出高质量、纯净度高的薄膜和颗粒。同时，利用自组装、共价或非共价键连接等手段，可以构建出特定的纳米结构和多层组装体，实现更高级的功能。新材料的合成与制备技术的发展，为满足各种领域对于高性能、多功能材料的需求提供了重要支持，通过不断研究与创新，我们可以掌握更多先进的技术手段，推动材料科学的发展，并为人类社会的发展做出更大的贡献。

能源化学工程中的新能源材料研究与应用实验总结

新能源材料是能源化学工程领域中的重要研究方向，其研究与应用对于可持续发展和解决能源危机具有重要的意义。本文将对能源化学工程中的新能源材料研究与应用实验进行总结和分析。

一、引言

能源是社会经济发展的基础，随着经济的发展和人口的增长，能源的需求不断增加，而传统能源资源的供给面临着日益紧张的局面。因此，研究和应用新能源材料成为解决能源危机的重大课题。本实验旨在总结新能源材料的研究与应用情况，为新能源材料的开发提供参考。

二、太阳能电池的研究与应用

1. 实验目的

太阳能电池是一种通过光电转换将太阳能转化为电能的装置。本实验旨在研究太阳能电池的工作原理和性能，并探索其在能源化学工程中的应用。

2. 实验方法

通过搭建太阳能电池实验装置，测量太阳能电池在不同光照强度下的电压和电流变化，从而绘制出太阳能电池的I-V特性曲线。同时，利用专业测试仪器对太阳能电池的光电转换效率进行测试。

3. 实验结果与讨论 通过实验得到的I-V特性曲线表明，太阳能电池的输出电流与光照强度呈线性关系，而输出电压与光照强度无直接关系。这说明太阳能电池在不同光照条件下仍能稳定输出电能。

太阳能电池在能源化学工程中的应用十分广泛，例如在太阳能发电、智能建筑和移动设备充电等方面有着重要的应用。

三、燃料电池的研究与应用

1. 实验目的

燃料电池是利用化学能转化为电能的装置，具有高能量转化效率和清洁环保的特点。本实验旨在研究燃料电池的工作原理和性能，并探索其在能源化学工程中的应用。

2. 实验方法

通过搭建燃料电池实验装置，以氢氧化钠溶液和氢气作为燃料进行实验，测量燃料电池在不同燃料浓度下的电压和电流变化，从而绘制出燃料电池的I-V特性曲线。同时，利用专业测试仪器对燃料电池的能量转化效率进行测试。

3. 实验结果与讨论

通过实验得到的I-V特性曲线表明，燃料电池的输出电流与燃料浓度呈线性关系，而输出电压与燃料浓度无直接关系。这说明燃料电池在不同燃料浓度条件下仍能稳定输出电能。 燃料电池在能源化学工程中具有广泛的应用前景，例如在交通工具动力系统、微型电子设备和储能系统等方面具有重要的应用。

化学工程专业毕业论文新能源材料在电池技术中的应用研究

新能源材料在电池技术中的应用研究

1. 引言

电池是一种将化学能转化为电能的设备，广泛用于各个领域。随着能源危机的日益严重和对环境保护意识的增强，新能源材料作为电池技术的重要组成部分，逐渐成为研究的热点。本文旨在探讨新能源材料在电池技术中的应用研究现状和未来发展前景。

2. 现有电池技术的问题

目前常用的电池技术主要包括铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池等。虽然这些电池技术已经有了较长的历史和成熟的应用，但仍然存在一些问题。其中最主要的问题是能量密度不高、循环寿命有限、环境污染和资源稀缺等。因此，研究新能源材料在电池技术中的应用具有重要意义。

3. 新能源材料在电池技术中的应用

3.1. 锂离子电池

锂离子电池是一种应用广泛的新能源电池，具有高能量密度、长循环寿命和无污染等优点。研究表明，通过改变正极材料、负极材料和电解液等，可以进一步提高锂离子电池的性能。例如，将新型石墨烯材料应用于锂离子电池的负极中，可以提高电池的循环寿命和倍率性能。

3.2. 钠离子电池

钠离子电池作为一种较新的能源储存技术，在新能源材料中占有重要地位。相比锂离子电池，钠离子电池具有更低的成本和更广泛的资源，因此具有更大的应用潜力。研究表明，使用钠离子作为电池的活性离子，并探索新型钠离子电池材料，可以进一步提高电池的循环寿命和能量密度。

3.3. 其他新能源材料在电池技术中的应用

除了锂离子电池和钠离子电池，还有一些其他新能源材料在电池技术中的应用也值得关注。例如，钾离子电池、锌空气电池、氢氧化钠燃料电池等。这些材料在电池技术中的应用研究正在进行中，有望取得突破性进展。

4. 新能源材料在电池技术中的挑战和展望

尽管新能源材料在电池技术中具有广阔的应用前景，但仍然面临一些挑战。其中最主要的挑战包括材料的合成与制备、循环寿命与安全性、成本与可持续发展等。未来应加大对新能源材料在电池技术中的基础研究和应用开发的投入，加强学术界与工业界的合作，共同推动新能源材料在电池技术中的创新和应用。