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，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞 納米材料 催化 應(yīng)用

中圖分類號：TB38 文獻標(biāo)識碼：A

納米科技是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識和改造自然，通過直接操縱和安排原子、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1～100 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。隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的快速發(fā)展，資源短缺和環(huán)境污染日益嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅了我國社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。而納米光催化技術(shù)由于其可直接利用太陽光的特點，具有效率高、能耗低、適用范圍廣、無毒、綠色環(huán)保等優(yōu)點，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，并對其未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

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特的表面效應(yīng)，使其在有機催化，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催化的烯烴氫甲酰化反應(yīng)，等等。

1.2納米材料在光催化降解有機污染物中的應(yīng)用

自從上世紀(jì)70年代Fujishima和和Honda發(fā)現(xiàn)TiO2能夠光催化分解水制氫以來，半導(dǎo)體光催化技術(shù)將成為解決世界能源危機和環(huán)境污染的重要手段。目前用于降解有機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)存在一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導(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，其價帶上的電子被激發(fā)躍過禁帶進入導(dǎo)帶，形成電子-空穴對，并在電場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-）等強氧化性活性基團，這些活性基團具有較強的氧化性能，可以把環(huán)境中的有機污染物物最終氧化降解為對人體健康無害的CO2、H2O 以及其它無機鹽。2013年孫莉等采用陽極氧化法制備TiO2納米管陣列，同時摻雜釓元素，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，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苯二甲酸為原料，經(jīng)過溶劑熱和高溫煅燒后，合成出太陽光照射下催化活性較高的納米ZnO材料，太陽光光催化降解甲基橙溶液27 min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，對十溴聯(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

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)研究和實際應(yīng)用來看，目前其研究還存在著許多問題。首先，一些半導(dǎo)體光催化劑禁帶寬度較寬，只能在400 nm以下波長的光照射時才具有光催化活性，光生電子-空穴對容易復(fù)合，太陽光利用率低，嚴(yán)重制約了其在實際中的應(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。其次，納米材料制備方法多種多樣，各有千秋，其生長機理還不完全清楚等等，需要進一步改進合成方法，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，加大規(guī)模生產(chǎn)和實際應(yīng)用領(lǐng)域研究，促進光催化技術(shù)大規(guī)模的工業(yè)化實際應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，上述問題將會得到逐漸解決，納米光催化技術(shù)將會得到充分的發(fā)展，納米材料的應(yīng)用前景也將會更加廣闊。

作者簡介：楊志廣（1980-），男，漢族，河南周口人，博士，講師，研究方向為無機納米材料和有機功能材料。

參考文獻

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