納米材料在催化領域中的應用研究

杜亞丹 張璐瑤 江鑫梅 程春艷

摘 要 材料、能源和信息是構成人類現代社會發展的三大支柱，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、量子尺寸效應、小尺寸效應以及宏觀量子隧道效應等納米效應，使其表現出奇特的光、電、磁、熱、力等獨特性能，在陶瓷增韌、污水處理、環境凈化、生物醫藥、化妝品、涂料和軍事等領域具有廣闊的應用前景。本文主要分析了納米材料在催化領域中的應用研究，并對其未來的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞 納米材料 催化 應用

中圖分類號：TB38 文獻標識碼：A

納米科技是在納米尺寸范圍內認識和改造自然，通過直接操縱和安排原子、分子而創造新物質，納米材料是納米科技的基礎，被稱為“跨世紀的新材料”，是21世紀最有前途的新型材料，由于材料尺寸小（在1～100 nm范圍內），比表面積大，具有常規材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性以及在各領域廣闊的應用前景。隨著我國工業經濟的快速發展，資源短缺和環境污染日益嚴峻，嚴重威脅了我國社會經濟的可持續發展。而納米光催化技術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、綠色環保等優點，在環境治理中的應用日益受到人們的廣泛關注和重視。本文主要分析了納米材料在不同催化領域中的應用現狀，并對其未來的發展趨勢進行了展望。

1納米材料在催化領域的應用現狀

1.1納米材料在化學反應中的催化作用

催化劑在化學化工領域中發揮著重要作用，它可以降低溫度、控制反應時間、提高反應效率和速度，具有較高的化學反應選擇性。納米粒子具有表面能高、比表面積大、表面原子數增多且配位數不足，導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，使其在有機催化，如氧化反應、還原反應、氫化反應、聚合反應等方面具有廣闊的應用前景。例如，納米Cu粒子以及納米Ni粒子在乙炔聚合反應中的催化作用，納米Au/Al2O3催化氧化環己烷制備環己酮，納米Rh催化的烯烴氫甲酰化反應，等等。

1.2納米材料在光催化降解有機污染物中的應用

自從上世紀70年代Fujishima和和Honda發現TiO2能夠光催化分解水制氫以來，半導體光催化技術將成為解決世界能源危機和環境污染的重要手段。目前用于降解有機污染物的光催化納米材料絕大多數是金屬氧化物或硫化物等半導體材料，如TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS等。光催化機理主要是半導體光催化納米材料的能帶結構存在一個充滿電子的低能價帶和一個空的高能導帶，二者之間有一禁帶，當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躍過禁帶進入導帶，形成電子-空穴對，并在電場作用下分離并遷移到半導體表面，與半導體表面的氧氣和水反應生成羥基自由（·OH）與超氧負離子（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，合成了催化劑穩定性好、催化活性高、可重復使用的釓摻雜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，甲醛降解率達到93%。2016年薛超等以醋酸鋅和對苯二甲酸為原料，經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100倍以上。2016年黃鑫辰等利用多元醇介導自組裝法制備出了啞鈴狀形貌的Fe3O4前驅體，在300℃下反應30 min時，對十溴聯苯的熱催化降解率幾乎已達到100%，表現出較高的降解活性。

2結語

目前隨著納米科技的快速發展，納米材料由于尺寸小，具有許多獨特的物理、化學特性，已成為當前材料研究最活躍的領域之一。然而，從納米材料的基礎研究和實際應用來看，目前其研究還存在著許多問題。首先，一些半導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-空穴對容易復合，太陽光利用率低，嚴重制約了其在實際中的應用。因此，如何提高半導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，合成一批結構和形貌較好，性能優異的納米光催化材料。再者，加大規模生產和實際應用領域研究，促進光催化技術大規模的工業化實際應用。隨著科學技術的不斷進步，上述問題將會得到逐漸解決，納米光催化技術將會得到充分的發展，納米材料的應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

[1] 孫莉，白書立，姜慶葉等.釓摻雜二氧化鈦納米管光催化降解制藥廢水[J].工業用水與廢水，2013，44（01）：49-53.

[2] 程錦，李朝維，李奇，等.納米二氧化鈦光催化涂料的制備及其甲醛降解效果研究[J].涂料工業，2014，44（11）：41-45.

[3] 薛超，張文麗.氧化鋅納米材料的制備及太陽光催化降解甲基橙[J].廣東化工，2016，43（03）：5-5.

[4] 黃鑫辰，宗剛，劉燁煊，等.自組裝啞鈴狀Fe3O4微/納米材料對十溴聯苯的熱催化降解[J].環境科學，2016，37（02）：765-774.