無機納米材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用與性能優(yōu)化

中圖分類號：0643 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-0935（2025）06-0952-03

光催化技術(shù)作為一種新型的能源轉(zhuǎn)化技術(shù)，受到了廣泛的關(guān)注。但是，常規(guī)光催化劑存在著帶隙大、光吸收能力弱、光生載流子容易復(fù)合等不足，制約了其實際應(yīng)用。無機納米材料具有比表面積大、電荷傳輸能力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，在光解水方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上，利用微納加工手段，對其進行結(jié)構(gòu)精確控制可提高其光催化活性。因此，對無機納米材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用與性能優(yōu)化進行研究，具有重要的應(yīng)用價值[1-3]。

隨著納米科技的發(fā)展，納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，一些傳統(tǒng)催化材料如貴金屬、半導(dǎo)體等都被研究和應(yīng)用到納米光催化領(lǐng)域。納米材料具有特殊的微觀結(jié)構(gòu)，使其在光催化領(lǐng)域有很多獨特的優(yōu)勢，如高比表面積、高電子遷移率、較強的催化活性等[4-7]。

相關(guān)理論概述

1.1 無機納米材料的特點

無機納米材料具有獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，如高比表面積、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等。這些特性使得無機納米材料在光催化領(lǐng)域中具有較高的活性和選擇性。此外，許多無機納米材料具有出色的化學(xué)穩(wěn)定性和環(huán)境耐候性。這意味著它們可以在各種條件下保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性，確保長期、持續(xù)的催化性能。無機納米材料的穩(wěn)定性和耐候性也較好，能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。

1.2 相關(guān)研究現(xiàn)狀綜述

陳邦富等[介紹了 Z_nSn(OH)6 基納米材料在環(huán)境光催化中的應(yīng)用，指出在實際應(yīng)用研究方面仍處于初步階段，需要進一步探究改性策略，拓展其應(yīng)用場景。王佳赫等4綜述了近年來 TiO₂ 光催化在抗菌方面的研究進展以及在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域具有的獨特應(yīng)用前景。盤盈瀅等8從單一稀土半導(dǎo)體、稀土負(fù)載型半導(dǎo)體、稀土摻雜型半導(dǎo)體以及稀土-其他半導(dǎo)體材料的復(fù)合4個角度對其進行了系統(tǒng)的研究。

1.3無機納米材料的光催化機理

無機納米材料的光催化機理主要涉及光生載流子的生成和遷移過程。在光照射下，有機半導(dǎo)體的價帶處會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，從而使價能帶中的空位暴露出來。在此基礎(chǔ)上，通過各種化學(xué)鍵的斷裂與結(jié)合，達到對有機物的有效降解與水解。

2 無機納米材料在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 污水處理

無機納米材料在污水處理中發(fā)揮了重要作用。目前光催化能降解水中的一些常見的污染物質(zhì)包括苯酚7]、羅丹明B和致病性微生物（葡萄球菌、大腸桿菌[8]）等， TiO₂ 、 znO 等無機納米材料在紫外光的照射下，它可以生成強烈的氧化活性基團，對廢水中的有機污染物進行降解，使其成為一種清潔水源。此外，部分無機納米材料還具有吸附重金屬的能力，可以有效地減少其對生態(tài)系統(tǒng)的污染

2.2 抗菌消毒

在抗菌消毒方面，無機納米材料也展現(xiàn)出了令人矚目的性能。例如， Ag 、TiO2等無機納米材料在光催化條件下能夠殺死細(xì)菌、病毒等微生物。該方法的成功實施，將解決臨床上常見的細(xì)菌和病毒問題以及在醫(yī)藥等方面所遇到的細(xì)菌抗藥性問題。隨著科技的進步，預(yù)計將會有更多高效環(huán)保的殺菌用品問世[9-10]

2.3 能源轉(zhuǎn)化與存儲

除了在污水處理和抗菌消毒方面的應(yīng)用，無機納米材料在能源轉(zhuǎn)化與存儲方面也具有廣泛的應(yīng)用前景。例如，利用光催化技術(shù)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換成氫氣，從而達到有效地利用太陽能的目的。該方法的實施將解決當(dāng)前世界上的能源短缺問題以及減輕對環(huán)境的影響。此外，部分無機納米顆粒也可以作為鋰離子二次電池的負(fù)極，從而提升其比容量及循環(huán)穩(wěn)定性。該技術(shù)不但能夠有效地延長鋰離子電池的續(xù)航時間，而且還能夠提升新能源裝置如電動車的工作效率。近年來，由于對新能源及環(huán)境保護等方面的重視，使得其在新能源方面的發(fā)展?jié)摿υ絹碓酱骩11-12]

2.4 空氣凈化

空氣中的有害物質(zhì)如甲醛、VOCs（揮發(fā)性有機化合物）等對人類的健康造成了嚴(yán)重的威脅。這些有害物質(zhì)主要來源于工業(yè)排放、汽車尾氣、家居裝修等。為了解決這一問題，科學(xué)家不斷尋求清潔空氣的有效途徑。在此過程中，如何有效地將有機污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)是當(dāng)前的研究熱點之一。光催化法是一項可在室溫、常壓條件下實現(xiàn)的高效、環(huán)境友好和可持續(xù)發(fā)展的新方法。氧化鋅（ ZnO ）作為一類新型的半導(dǎo)體光催化材料，在光照下可降解空氣中的有毒氣體，如甲醛等。該工藝無不良副產(chǎn)品，是一種綠色環(huán)保的工藝[13]。

3 無機納米材料的性能優(yōu)化

3.1 元素?fù)诫s

元素?fù)诫s是一種有效的無機納米材料性能優(yōu)化方法。將其他元素引入到無機納米結(jié)構(gòu)中，調(diào)控其能帶結(jié)構(gòu)、吸收光譜、載流子遷移能力等，進而增強其光催化性能。例如，向 TiO₂ 中摻入N、C等元素可以形成 N-TiO₂ 、 C?Ti0₂ 等新型光催化劑，提高其對可見光的吸收能力[14]。

3.2 形貌控制

不同形態(tài)的無機納米顆粒因其比表面積、孔結(jié)構(gòu)及裸露的活性中心等因素對其光催化性能產(chǎn)生顯著的影響。通過調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，獲得不同形態(tài)的納米棒、片、納米管等納米粒子，從而增強其光催化性能[15]。

3.3 復(fù)合光催化劑的制備

復(fù)合光催化劑將2種或2種以上的無機納米材料進行復(fù)合，制備出具有優(yōu)異性能的復(fù)合光催化體系。該體系能夠充分發(fā)揮各類型材料的優(yōu)勢，增強其光催化性能。例如，將 TiO₂ 與窄禁帶的CdS等材料進行復(fù)合，能夠構(gòu)建出有利于光生電子-空穴傳輸?shù)漠愘|(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，能夠提高光催化效果[16]。

3.4光催化劑的能帶調(diào)控

通過改變無機納米材料的能帶結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)材料的光譜響應(yīng)，實現(xiàn)對材料的光譜響應(yīng)和電荷傳輸能力的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對材料的高效利用。例如，通過摻雜其他元素或者調(diào)整合成工藝，可以實現(xiàn)對TiO₂ 的能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，從而提高材料在可見光區(qū)的吸光能力[17]。

4應(yīng)用前景與趨勢分析

4.1 金屬氧化物

金屬氧化物是一類重要的半導(dǎo)體材料，包括氧化物、金屬單質(zhì)和化合物。常見的金屬氧化物包括TiO₂ 、 znO 、CuO等，其中TiO和 znO 是目前研究最多、最成熟的2種光催化材料。相對于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體，金屬氧化物由于其高比表面和高的光催化性能，可高效地去除水中的有機污染物。然而，該類材料的能隙偏大、光生電子-空穴容易再分離等問題嚴(yán)重制約了其在光解水方面的應(yīng)用[18]。

4.2 新型無機非金屬材料

無機非金屬材料指的是由非金屬構(gòu)成的性質(zhì)優(yōu)異的物質(zhì)。在這些材料中，無機非金屬因其獨特的物理、化學(xué)性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)，在光解水方面表現(xiàn)出了巨大的潛力。

近年來，人們開始嘗試將其應(yīng)用于有機污染物（如甲苯、苯類）的光催化降解。在這些化合物中，羅丹明B、甲基橙、亞甲基藍等具有良好的光催化性能，而半導(dǎo)體 TiO₂ 、 znO 等無機非金屬的光催化性能相對差一些。如何研發(fā)高效、低成本、環(huán)境友好的新型無機非金屬催化材料是當(dāng)前迫切需要解決的問題[19]。

4.3 半導(dǎo)體

半導(dǎo)體光催化劑在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用主要有 2種：一是以半導(dǎo)體材料為光催化材料，以其光生電子-空穴對有機物進行氧化降解；二是將其與貴金屬、過渡金屬氧化物復(fù)合，構(gòu)筑復(fù)合結(jié)構(gòu)，有望大幅提升其光催化活性。

采用半導(dǎo)體與貴金屬或過渡金屬氧化物構(gòu)建復(fù)合體系是一條極具發(fā)展?jié)摿Φ耐緩?。以此為基礎(chǔ)構(gòu)建的復(fù)合結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其豐富的催化活性位點，提高光生電子的高效運輸能力。以 znO 為研究對象，通過水熱法和Sol-gel法制備了一類具有不同形態(tài)的 znO 納米粒子。通過對其進行晶型轉(zhuǎn)變、形貌調(diào)控等，成功制備出一種具有特殊形貌的氧化鋅納米顆粒[20]。

5結(jié)束語

無機納米材料具有獨特的微觀結(jié)構(gòu)，其在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。目前，無機半導(dǎo)體的研究主要集中在納米尺度，其在光解水方面的研究尚處于起步階段。此外，無機納米材料因其獨特的化學(xué)結(jié)構(gòu)與性能，對雜質(zhì)氣體的吸附性能遠高于常規(guī)材料，有待于更深入的研究。同時，由于無機納米材料自身存在一些不足，其在光催化領(lǐng)域的發(fā)展中仍需進行性能改進與優(yōu)化。

參考文獻：

[1]郭文軒，陳文剛，郝星星，等.納米二氧化鈦的光催化與減摩性能研究進展[J].潤滑與密封，2023，48（2)：172-181.

[2]王璐，李紅肖，薛正良.h ??Mo0₃ 納米棒和 h-/a-Mo0₃ 復(fù)合材料的制備及其光催化性能[J].中國有色金屬學(xué)報（英文版），2023，33（7）：2155-2167.

[3]瑣建樂，崔澤岳，張瀟，等.碳包覆 TiO_2-x 納米顆粒復(fù)合材料的制備及其光催化性能[J].微納電子技術(shù)，2022，59（6）：516-521.

[4] 王佳赫，劉大勇，劉偉，等.納米 TiO₂ 光催化抗菌應(yīng)用的研究進展[J].應(yīng)用化學(xué)，2022，39（4）：629-646.

[5]李真，劉雯，陳春旭，等.將In2O/CdSe-DETA納米復(fù)合材料中的電荷轉(zhuǎn)移從Type-I轉(zhuǎn)變?yōu)镾-Scheme以提高光催化制氫的活性和穩(wěn)定性（英文）[J.物理化學(xué)學(xué)報，2023，39（6）：70-80.

[6] 陳邦富，歐陽平，李宇涵，等 .ZnSn(OH)₆ 基納米材料在環(huán)境光催化中的應(yīng)用[J].化工進展，2023，42（2）756-764.

[7] 熊勝，湯榕藥，龔道新，等.環(huán)保型碳納米材料在光催化制氫方面的應(yīng)用[J].催化學(xué)報，2022，43（7）：1719-1748.

[8]盤盈瀅，李巖巖，鄭智平.稀土納米材料在光催化二氧化碳還原中的應(yīng)用[J].中國稀土學(xué)報，2023，41（3)：383-403.

[9]張宏，姜英宇，魏茁，等.含有氧空位的氮摻雜 TiO₂ 納米材料的制備及其光催化性能[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報，2022，40（2）：225-231.

[10]陳亞杰，邵亞云，程浩艷.合成條件對納米 TiO₂ 材料光催化性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程，2022，45（2)：43-48.

[11]蘇楠，邱介山，王治宇.高容量氟摻雜碳包覆納米硅負(fù)極材料：氣相氟化法制備及其儲鋰性能[J].無機材料學(xué)報，2023，38（8）：947-953.

[12]朱子軒，鄭雨佳，王丹，等.多孔SiC納米片的原位合成及光催化性能[J].無機化學(xué)學(xué)報，2022，38（3）：441-448.

[13]尤興萌，胡珺婕，熊柳.MoS納米片材料的制備及光催化性能研究[J]山東化工，2022，51（5）：34-36.

[14] 張海俊，張國棟，王超.多孔 TiO₂/CdS 納米材料制備與光催化性能研究[J].傳感器與微系統(tǒng)，2022，41（12）：14-18.

[15]戢威，黎勛，譚添，等.Ru摻雜 zno 納米棒陣列薄膜氫氣傳感器性能研究[J].材料科學(xué)，2023，13（10）：894-903.

[16]呂康樂，宋俊密.納米 znO 的溫和液相法制備及其光催化性能[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報，2022，48（4）：25-29

[17]杜澤，趙尉伶，匡代洪，等 BiFe_(1-x)Mn_xO₃ 納米粉末的制備及光催化性能[J].材料導(dǎo)報，2023，37（13）：56-63.

[18]費良浩.富含氧空位的二氧化鈦納米材料研究進展[J].中國科技信息，2023（17):143-145.

[19]孫松美，高盼盼.一種多功能柔性光催化薄膜的制備方法：CN202210545615.7[P].2022-08-30.

[20]張士華，王延鵬，丁濤，等 .Ag-Ti0₂ 復(fù)合納米材料制備及其光催化應(yīng)用研究進展[J].化學(xué)研究，2020，31（6）：538-548.

Application and Performance Optimization of Inorganic Nanomaterials in Photocatalysis

DU Xiyu， ZHAO Peixi， ZHANG Yifan，XU Zhixue， ZHANG Maofu （ Shenghua New Energy Technology (Dongying) Co.，Ltd.， Dongying Shandong 257ooo， China）

Abstract: Withtheacelerationof industrilization，alarge numberof pollutantsaredischarged intotheenvironment，whichhas broughtseriousthreats tohuman health.Traditionalsewage treatmentandairpurification technologycannotsolvetheproblemof environmentalpollutionSoresearchersarelookingformoreeficient，environmentallyfriendlysolutions.Inthiscontext， photocatalysis technologycameintobeing.Ituses lightenergytodecomposeorganicpolutantsinto harmlessubstances，thus effectivelypurifyingtheenvironment.Inorganicnanomaterialsareimportantmaterialsinthefieldofphotocatalysis，andtheir excelent photocatalyticpropertiesprovideanewwaytosolvetheproblemofenvironmentalpoltionInthispaper，teapplication， performance optimization and future development of inorganic nanomaterials in photocatalysis were discussed.

KeyWords:Inorganic nanomaterials; Photocatalysis;Performance optimization;Discussion