用于光催化的金屬氧化物多孔材料的研究進(jìn)展綜述

任德忠

摘? 要：金屬氧化物材料的多孔化制備技術(shù)受到人們的高度關(guān)注，由于多孔制備技術(shù)具比表面積大、較多的活性位點(diǎn)、促進(jìn)物質(zhì)傳輸?shù)碾p連接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此能夠在環(huán)保、能源、精細(xì)化工等多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。本文通過(guò)分析幾個(gè)不同的金屬氧化物材料，比如二氧化鈦、氧化鋅、氧化亞銅等在光催化領(lǐng)域中的發(fā)展進(jìn)程，分析金屬氧化物多孔制備技術(shù)、光催化性能等，探討光催化性能的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：光催化? 金屬氧化物? 多孔材料? 研究進(jìn)展

中圖分類號(hào)：O643? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）09（b）-0063-03

Abstract： The porous preparation technology of metal oxide materials is highly concerned by people. Because of its large specific surface area， more active sites and double connection structure to promote material transport， porous preparation technology can be applied in many fields such as environmental protection， energy， fine chemical industry， etc. In this paper， through the analysis of several different metal oxide materials， such as titanium dioxide， zinc oxide， cuprous oxide in the field of photocatalytic development process， analysis of metal oxide porous preparation technology， photocatalytic performance， etc.， to explore the improvement measures of photocatalytic performance.

Key Words： Photocatalysis; Metal oxide; Porous materials; Research progress

能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題是目前全球人類面臨的最大的難題和挑戰(zhàn)，人類生活的進(jìn)步導(dǎo)致對(duì)能源的需求量逐年上漲，導(dǎo)致地區(qū)中蘊(yùn)藏的礦物質(zhì)燃料大幅度減少，也因此對(duì)自然環(huán)境造成巨大的損害，而自然也給了人類最大的“懲罰”。目前，不僅是我國(guó)，全世界的國(guó)家都開始重視節(jié)能能源和保護(hù)環(huán)境的問(wèn)題，這也是光催化工作人員的研究重點(diǎn)。光催化的原理是通過(guò)利用太陽(yáng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)省能源和環(huán)境的保護(hù)，二氧化碳電極能夠在可見光的刺激下實(shí)現(xiàn)水解制氫，這一技術(shù)也得到全世界研究人員的認(rèn)可和進(jìn)一步探索[1]。在1977年，有研究人員發(fā)現(xiàn)，二氧化碳能夠在可見光的刺激下促進(jìn)廢水的氧化，從而得到氰化物和硫化物兩種物質(zhì)，繼而還可轉(zhuǎn)變?yōu)榍杷猁}和硫酸鹽，這一技術(shù)的應(yīng)用也促進(jìn)了光催化在節(jié)省能源和保護(hù)環(huán)境上發(fā)揮的意義。后來(lái)，Inoue教授還發(fā)現(xiàn)了在光催化技術(shù)的影響下，二氧化碳具有還原有機(jī)化學(xué)物的效果，進(jìn)一步促進(jìn)光催化技術(shù)在能源及環(huán)境保護(hù)中的效果。

1? 多孔金屬氧化物合成和光催化降解污染物分析

1.1 二氧化鈦（TiO2）

二氧化鈦是最佳的半導(dǎo)體材料，這一材料的成本較低但是穩(wěn)定性較好且具有高催化活性特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在光催化降解污染物中。有研究人員表示，乙酸鋅可作為鋅源、異丙醇鈦?zhàn)鳛殁佋?，利用氣相沉積法制備技術(shù)在氣溶膠的輔助下，可制備出分級(jí)孔道的多孔二氧化鈦薄膜。紫外線的影響下可完成燃料以及硬脂酸的講解處理，通過(guò)這一技術(shù)制備出的二氧化鈦薄膜的光催化率是普通二氧化鈦薄膜的十幾倍[2]。

還有研究人員將0.15～1.5μm聚甲基丙烯酸甲酯作為模板，將異丙醇鈦?zhàn)鳛殁佋粗苽浣榭椎亩趸?，通過(guò)浸漬法可讓介孔二氧化鈦帶有磁性，方便收集能力從而提高循環(huán)能力。樣品在UV光的影響下講解亞甲基藍(lán)，最終發(fā)現(xiàn)0.15μm聚甲基丙烯酸甲酯制備的樣品的催化活性更好[3]。

要持續(xù)提高多孔二氧化鈦的光催化效果，有關(guān)人員針對(duì)其實(shí)施了復(fù)合、負(fù)載以及摻雜手段的實(shí)施，在簡(jiǎn)易的溶劑熱法手段可制備出多孔的TiO2/C復(fù)合物，同時(shí)受到不同電解質(zhì)、不同電壓的影響，鈦這一物質(zhì)制備出的多孔二氧化鈦薄膜能夠在紫外線的刺激下完成甲基藍(lán)的降解處理，催化效果最好的產(chǎn)物4d內(nèi)的脫色率高于99%[4]。

相關(guān)人員通過(guò)多孔金屬金地的生長(zhǎng)氧化物技術(shù)的反向思路實(shí)施處理，多孔二氧化鈦結(jié)構(gòu)上課復(fù)合產(chǎn)出貴重金屬。通過(guò)熔煉甩帶可制備出AI97.4Ti2.1Ag0.2靜態(tài)合金條帶，然后將制備出的產(chǎn)物繁殖在NaOH溶液中，在室溫下放置2h，空氣干燥可獲取前驅(qū)體①，將其浸漬在0.1mol/L的HCI溶液中2h，通過(guò)去離子水清洗可得到前驅(qū)體②，將其放置在400℃的環(huán)境下1h可獲得介孔Ag/TiO2復(fù)合材料。符合材料在光刺激下可降解甲基橙，120min可達(dá)到100%的講解效果。

1.2 鉍系半導(dǎo)體

鉍系半導(dǎo)體材料具有極強(qiáng)的見光激發(fā)效果，光催化活性極高，在光照下能夠?qū)⑵浞纸獬鲇袡C(jī)污染物，可光解水，還原CO2等作用。在目前關(guān)于鉍系半導(dǎo)體催化劑的研究，鉍系半導(dǎo)體催化劑包括氧化鉍、含氧酸鹽以及符合的催化劑。第一，氧化鉍。氧化鉍的發(fā)展前景非常好，禁帶寬在2.58～2.85eV，具有易被可見光見覅的效果，也有非常好的價(jià)帶位置、極強(qiáng)的光催化特點(diǎn)等。按照研究分析，硝酸鉍屬于金屬源，乙二醇甲醚是溶劑，尿素作為添加劑。硝酸鉍通過(guò)溶膠凝法能夠?qū)嵤┒嗫譈i2O2，Bi2O2的制備[5]。利用水熱法制備手段、煅燒制備手段還能獲取多孔異質(zhì)結(jié)Bi2O3-Bi4MoO24復(fù)合材料，這種材料通過(guò)光催化的影響下能夠?qū)崿F(xiàn)甲基橙、苯酚的降解，其中甲基橙脫色率達(dá)100%的時(shí)間為45min，苯酚脫色率達(dá)到100%的時(shí)間為180min。利用水熱法、煅燒法可制備得到100～200nm孔徑的多孔TiO2薄膜，同時(shí)在超聲輔助連續(xù)離子層吸附反應(yīng)技術(shù)的輔助下，直徑為5nm的Bi2O3球可負(fù)載在多孔TiO2薄膜上，具體技術(shù)流程表現(xiàn)為：將多孔TiO2薄膜浸潤(rùn)在乙二醇硝酸鉍溶中，同時(shí)采取超聲輔助連續(xù)離子層吸附反應(yīng)技術(shù)處理，乙二醇可消除薄膜上多余的離子，然后再次浸潤(rùn)在乙二醇溶液中，重復(fù)2次，在水熱法處理后可制備出多孔Bi2O3/TiO2異質(zhì)結(jié)符合材料。在紫外線光和可見光下課降解為MB，紫外線光下12h后脫色率在96.8%，可見光12h的脫色率在99%[6]。第二，釩酸鉍。釩酸鉍屬于三元氧化物半導(dǎo)體材料，具有極強(qiáng)的穩(wěn)定性，無(wú)毒。在FTO上將BiCl3作為金屬源實(shí)施水熱法、煅燒法制備出多孔的釩酸鉍納米桿。還有研究人員將NH4VO3，Bi（NO3）3 5H2O作為原料，通過(guò)水熱法可制備出多孔TS/BiVO4復(fù)合材料[7]。

2? 結(jié)語(yǔ)

多孔金屬氧化物根據(jù)制備技術(shù)不同可劃分為兩種：第一種是直接制備出多孔金屬氧化物，在液相法的輔助下，利用水熱法進(jìn)行合成，再通過(guò)氣相法輔助下的煅燒手段進(jìn)行合成，制備出的產(chǎn)物都是粉質(zhì)產(chǎn)物，因此回收具有極大的難度，如果必須實(shí)施回收則通過(guò)賦予磁性或半導(dǎo)體負(fù)載的方式進(jìn)行解決。第二種是間接制備，是利用負(fù)載技術(shù)將氧化物負(fù)載到多孔的載體上。在進(jìn)行半導(dǎo)體的負(fù)載的術(shù)后要注意，載體和半導(dǎo)體之間存在固定特點(diǎn)以及載體的吸附能力，半導(dǎo)體催化活動(dòng)等。

參考文獻(xiàn)

[1] 廖潤(rùn)錢，錢海霞，曾燮榕，等.用于光催化的金屬氧化物多孔材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（z1）：54-62，67.

[2] 毛娜，許云峰，蔣加興.共軛微孔聚合物光催化分解水制氫研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào)，2018（6）：215-230.

[3] 何洪波，羅一旻，羅荘竹，等.硅藻土基吸附與光催化材料在水處理中的應(yīng)用[J].化學(xué)進(jìn)展，2019，31（4）：561-570.

[4] 何緣，劉云國(guó).靜電紡絲制備高度多孔石墨烯/TiO2復(fù)合材料的納米纖維及光催化性能研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)：英文版，2018，25（9）：2182-2189.

[5] 王麗蘋，趙粒成，蘭開順.以MOFs為前驅(qū)體的多孔金屬氧化物催化劑研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)：印刷版，2017，80（7）：611-620.

[6] 蘭東輝，樊娜，王瑩，等.非金屬催化劑在催化環(huán)氧化物和CO2合成環(huán)狀碳酸酯中的研究進(jìn)展[J].催化學(xué)報(bào)，2016，37（6）：826-845.

[7] 段勝聰，李雪，李悅，等.淀粉模板法制備復(fù)合金屬氧化物及其催化α-蒎烯氧化性能的研究[J].分子催化，2015，29（4）：339-347.

[8] 廖潤(rùn)錢，錢海霞，曾燮榕，等.用于光催化的金屬氧化物多孔材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（S1）：54-62，67.

[9] 賈國(guó)松，劉美玲.金屬氧化物光催化材料的研究進(jìn)展[J].山東化工，2015，44（16）：75-77.

[10] 郭家林，王雪靜.金屬有機(jī)骨架光催化材料研究進(jìn)展[J].河南科技學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018，46（1）：59-69.

[11] 王麗蘋，趙粒成，蘭開順.以MOFs為前驅(qū)體的多孔金屬氧化物催化劑研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，2017，80（7）：611-620.

[12] 林本蘭，崔升，沈曉冬，等.多孔TiO_2光催化劑的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工，2016，36（2）：7-11，13.

[13] 黃妙良，楊媛媛，申玥，等.多孔材料負(fù)載TiO_2光催化材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2009，23（17）：110-113.

[14] 彭煒東.多孔材料負(fù)載二氧化鈦的研究進(jìn)展[J].云南化工，2019，46（2）：49-50.