CeO2is 'n belangrike komponent van seldsame aardmateriale. Dieseldsame aarde element seriumhet 'n unieke buitenste elektroniese struktuur - 4f15d16s2. Sy spesiale 4f-laag kan effektief elektrone stoor en vrystel, wat seriumione in die +3 valensietoestand en +4 valensietoestand laat optree. Daarom het CeO2-materiale meer suurstofgate, en het hulle uitstekende vermoë om suurstof te stoor en vry te stel. Die wedersydse omskakeling van Ce (III) en Ce (IV) gee ook CeO2-materiale unieke oksidasie-reduksie katalitiese vermoëns. In vergelyking met grootmaatmateriaal, het nano CeO2, as 'n nuwe tipe anorganiese materiaal, wydverspreide aandag gekry vanweë sy hoë spesifieke oppervlakarea, uitstekende suurstofberging en vrystellingsvermoë, suurstofioongeleiding, redoksprestasie en hoë-temperatuur vinnige suurstofleegheidverspreiding vermoë. Daar is tans 'n groot aantal navorsingsverslae en verwante toepassings wat nano CeO2 as katalisators, katalisatordraers of bymiddels, aktiewe komponente en adsorbente gebruik.
1. Voorbereidingsmetode van nanometerseriumoksied
Tans sluit die algemene voorbereidingsmetodes vir nano-cerium hoofsaaklik chemiese metode en fisiese metode in. Volgens verskillende chemiese metodes kan chemiese metodes verdeel word in neerslagmetode, hidrotermiese metode, solvotermiese metode, solgelmetode, mikro-emulsiemetode en elektrodeposisiemetode; Die fisiese metode is hoofsaaklik die slypmetode.
1.1 Maalmetode
Die slypmetode vir die voorbereiding van nano-cerium gebruik gewoonlik sandmaal, wat die voordele van lae koste, omgewingsvriendelikheid, vinnige verwerkingspoed en sterk verwerkingsvermoë het. Dit is tans die belangrikste verwerkingsmetode in die nano-ceriumbedryf. Byvoorbeeld, die voorbereiding van nano-seriumoksied-poleerpoeier neem gewoonlik 'n kombinasie van kalsinering en sandmaal aan, en die grondstowwe van seriumgebaseerde denitrasie-katalisatore word ook gemeng vir voorbehandeling of behandel na kalsinering met sandmaal. Deur verskillende partikelgrootte sandmaalkraalverhoudings te gebruik, kan nano ceria met D50 wat wissel van tiene tot honderde nanometers verkry word deur aanpassing.
1.2 Neerslagmetode
Die neerslagmetode verwys na die metode om vaste poeier voor te berei deur presipitasie, skeiding, was, droog en kalsinering van grondstowwe wat in toepaslike oplosmiddels opgelos is. Die neerslagmetode word wyd gebruik in die voorbereiding van seldsame aarde en gedoteerde nanomateriale, met voordele soos eenvoudige voorbereidingsproses, hoë doeltreffendheid en lae koste. Dit is 'n algemeen gebruikte metode vir die voorbereiding van nano cerium en sy saamgestelde materiale in die industrie. Hierdie metode kan nano cerium met verskillende morfologie en partikelgrootte voorberei deur die presipitasietemperatuur, materiaalkonsentrasie, pH-waarde, neerslagspoed, roerspoed, sjabloon, ens. en die voorbereiding van nano ceria mikrosfere word beheer deur sitratione. Alternatiewelik kan seriumione neergesit word deur OH - gegenereer uit die hidrolise van natriumsitraat, en dan geïnkubeer en gekalsineer word om vlokkies soos nano ceria-mikrosfere voor te berei.
1.3 Hidrotermiese en solvotermiese metodes
Hierdie twee metodes verwys na die metode om produkte te berei deur hoë-temperatuur- en hoëdrukreaksie by kritieke temperatuur in 'n geslote sisteem. Wanneer die reaksie-oplosmiddel water is, word dit hidrotermiese metode genoem. Dienooreenkomstig, wanneer die reaksie-oplosmiddel 'n organiese oplosmiddel is, word dit solvotermiese metode genoem. Die gesintetiseerde nanodeeltjies het hoë suiwerheid, goeie verspreiding en eenvormige deeltjies, veral die nanopoeiers met verskillende morfologieë of blootgestelde spesiale kristalvlakke. Los seriumchloried op in gedistilleerde water, roer en voeg natriumhidroksiedoplossing by. Reageer hidrotermies by 170 ℃ vir 12 uur om seriumoksied nanorods voor te berei met blootgestelde (111) en (110) kristalvlakke. Deur die reaksietoestande aan te pas, kan die proporsie van (110) kristalvlakke in die blootgestelde kristalvlakke verhoog word, wat hul katalitiese aktiwiteit verder verbeter. Deur die reaksie-oplosmiddel en oppervlakligande aan te pas, kan ook nano-cerium-deeltjies met spesiale hidrofilisiteit of lipofilisiteit produseer. Byvoorbeeld, die byvoeging van asetaatione by die waterfase kan monodisperse hidrofiliese seriumoksied-nanopartikels in water voorberei. Deur 'n nie-polêre oplosmiddel te kies en oliesuur as 'n ligand tydens die reaksie in te voer, kan monodisperse lipofiele ceria nanopartikels in nie-polêre organiese oplosmiddels berei word. (Sien Figuur 1)
Figuur 1 Monodisperse sferiese nano-cerium en staafvormige nano-cerium
1.4 Sol gel metode
Die sol-gel-metode is 'n metode wat sommige of verskeie verbindings as voorlopers gebruik, chemiese reaksies soos hidrolise in die vloeistoffase uitvoer om sol te vorm, en dan gel vorm na veroudering, en uiteindelik droog en kalsien om ultrafyn poeiers voor te berei. Hierdie metode is veral geskik vir die voorbereiding van hoogs verspreide multi-komponent nano ceria saamgestelde nanomateriale, soos serium yster, serium titanium, serium sirkonium en ander saamgestelde nano oksiede, wat in baie verslae gerapporteer is.
1.5 Ander metodes
Benewens die bogenoemde metodes, is daar ook mikrolotionmetodes, mikrogolfsintesemetodes, elektrodeposisiemetodes, plasmavlamverbrandingsmetodes, ioonuitruilmembraanelektrolisemetodes en baie ander metodes. Hierdie metodes het groot betekenis vir die navorsing en toepassing van nano cerium.
Toepassing van 2-nanometer seriumoksied in waterbehandeling
Serium is die volopste element onder seldsame aardelemente, met lae pryse en wye toepassings. Nanometer ceria en sy samestellings het baie aandag getrek op die gebied van waterbehandeling as gevolg van hul hoë spesifieke oppervlak, hoë katalitiese aktiwiteit en uitstekende strukturele stabiliteit.
2.1 Toepassing vanNano seriumoksiedin waterbehandeling deur adsorpsiemetode
In onlangse jare, met die ontwikkeling van nywerhede soos die elektroniese industrie, is 'n groot hoeveelheid afvalwater wat besoedelstowwe soos swaarmetaalione en fluoorione bevat, afgevoer. Selfs teen spoorkonsentrasies kan dit aansienlike skade aan waterorganismes en die menslike leefomgewing veroorsaak. Algemeen gebruikte metodes sluit in oksidasie, flotasie, omgekeerde osmose, adsorpsie, nanofiltrasie, biosorpsie, ens. Onder hulle word adsorpsietegnologie dikwels aangeneem as gevolg van die eenvoudige werking, lae koste en hoë behandelingsdoeltreffendheid. Nano CeO2-materiale het 'n hoë spesifieke oppervlakte en hoë oppervlakaktiwiteit as adsorberende middels, en daar is baie verslae oor die sintese van poreuse nano CeO2 en sy saamgestelde materiale met verskillende morfologieë om skadelike ione uit water te adsorbeer en te verwyder.
Navorsing het getoon dat nanocerium sterk adsorpsievermoë vir F - in water onder swak suur toestande het. In 'n oplossing met 'n aanvanklike konsentrasie van F - van 100mg/L en pH=5-6, is die adsorpsiekapasiteit vir F - 23mg/g, en die verwyderingstempo van F - is 85.6%. Nadat dit op 'n poliakrieliesuurharsbal gelaai is (laaihoeveelheid: 0.25g/g), kan die verwyderingsvermoë van F - meer as 99% bereik wanneer 'n gelyke volume van 100mg/L F - waterige oplossing behandel word; Wanneer 120 keer die volume verwerk word, kan meer as 90% van F - verwyder word. Wanneer dit gebruik word om fosfaat en jodaat te adsorbeer, kan die adsorpsiekapasiteit meer as 100mg/g bereik onder die ooreenstemmende optimale adsorpsietoestand. Die gebruikte materiaal kan hergebruik word na eenvoudige desorpsie- en neutralisasiebehandeling, wat hoë ekonomiese voordele inhou.
Daar is baie studies oor die adsorpsie en behandeling van giftige swaar metale soos arseen, chroom, kadmium en lood met behulp van nano cerium en sy saamgestelde materiale. Die optimale adsorpsie pH wissel vir swaar metaalione met verskillende valensietoestande. Byvoorbeeld, die swak alkaliese toestand met neutrale vooroordeel het die beste adsorpsietoestand vir As (III), terwyl die optimale adsorpsietoestand vir As (V) bereik word onder swak suur toestande, waar die adsorpsiekapasiteit meer as 110mg/g onder beide kan bereik. voorwaardes. Oor die algemeen kan die geoptimaliseerde sintese van nanocerium en sy saamgestelde materiale hoë adsorpsie- en verwyderingstempo's vir verskeie swaarmetaalione oor 'n wye pH-reeks bereik.
Aan die ander kant het seriumoksied-gebaseerde nanomateriale ook uitstekende prestasie in die adsorbering van organiese stowwe in afvalwater, soos suur oranje, rhodamine B, Kongorooi, ens. adsorpsiekapasiteit in die verwydering van organiese kleurstowwe, veral in die verwydering van Kongorooi, met 'n adsorpsiekapasiteit van 942.7mg/g in 60 minute.
2.2 Toepassing van nanocerium in Gevorderde oksidasieproses
Gevorderde oksidasieproses (kortweg AOP's) word voorgestel om die bestaande watervrye behandelingstelsel te verbeter. Gevorderde oksidasieproses, ook bekend as diepoksidasietegnologie, word gekenmerk deur die produksie van hidroksielradikaal (· OH), superoksiedradikaal (· O2 -), singlet-suurstof, ens. met sterk oksidasievermoë. Onder die reaksietoestande van hoë temperatuur en druk, elektrisiteit, klank, ligbestraling, katalisator, ens. Volgens die verskillende maniere om vrye radikale en reaksietoestande te genereer, kan hulle verdeel word in fotochemiese oksidasie, katalitiese nat oksidasie, sonochemie oksidasie, osoon oksidasie, elektrochemiese oksidasie, Fenton-oksidasie, ens. (sien Figuur 2).
Figuur 2 Klassifikasie en Tegnologie Kombinasie van Gevorderde oksidasieproses
Nano ceriais 'n heterogene katalisator wat algemeen in Gevorderde oksidasieproses gebruik word. As gevolg van die vinnige omskakeling tussen Ce3+ en Ce4+ en die vinnige oksidasie-reduksie-effek wat deur suurstofabsorpsie en vrystelling teweeggebring word, het nanocerium goeie katalitiese vermoë. Wanneer dit as 'n katalisatorpromotor gebruik word, kan dit ook effektief katalitiese vermoë en stabiliteit verbeter. Wanneer nano ceria en sy saamgestelde materiale as katalisators gebruik word, verskil die katalitiese eienskappe baie met die morfologie, deeltjiegrootte en blootgestelde kristalvlakke, wat sleutelfaktore is wat hul werkverrigting en toepassing beïnvloed. Daar word algemeen geglo dat hoe kleiner die deeltjies en hoe groter die spesifieke oppervlak, hoe meer ooreenstemmende aktiewe plek, en hoe sterker die katalitiese vermoë. Die katalitiese vermoë van die blootgestelde kristaloppervlak, van sterk tot swak, is in die orde van (100) kristaloppervlak>(110) kristaloppervlak>(111) kristaloppervlak, en die ooreenstemmende stabiliteit is teenoorgesteld.
Seriumoksied is 'n halfgeleiermateriaal. Wanneer nanometer seriumoksied bestraal word deur fotone met energie hoër as die bandgaping, word die valensbandelektrone opgewonde, en die oorgangsrekombinasiegedrag vind plaas. Hierdie gedrag sal die omskakelingskoers van Ce3+ en Ce4+ bevorder, wat lei tot sterk fotokatalitiese aktiwiteit van nano-cerium. Fotokatalise kan direkte afbraak van organiese materiaal bewerkstellig sonder sekondêre besoedeling, so die toepassing daarvan is die mees bestudeerde tegnologie op die gebied van nano cerium in AOP's. Tans is die hooffokus op die katalitiese afbraakbehandeling van aso-kleurstowwe, fenol, chloorbenseen en farmaseutiese afvalwater deur gebruik te maak van katalisators met verskillende morfologieë en saamgestelde samestellings. Volgens die verslag, onder die geoptimaliseerde katalisatorsintesemetode en katalitiese modeltoestande, kan die afbreekvermoë van hierdie stowwe oor die algemeen meer as 80% bereik, en die verwyderingskapasiteit van Totale organiese koolstof (TOC) kan meer as 40% bereik.
Nano seriumoksied katalise vir die afbreek van organiese besoedelingstowwe soos osoon en waterstofperoksied is nog 'n wyd bestudeerde tegnologie. Soortgelyk aan fotokatalise, fokus dit ook op die vermoë van nanocerium met verskillende morfologieë of kristalvlakke en verskillende seriumgebaseerde saamgestelde katalitiese oksidante om organiese besoedelingstowwe te oksideer en af te breek. In sulke reaksies kan katalisators die generering van 'n groot aantal aktiewe radikale uit osoon of waterstofperoksied kataliseer, wat organiese besoedelingstowwe aanval en meer doeltreffende oksidatiewe afbreekvermoëns bereik. As gevolg van die bekendstelling van oksidante in die reaksie, word die vermoë om organiese verbindings te verwyder aansienlik verbeter. In die meeste reaksies kan die finale verwyderingstempo van die teikenstof 100% bereik of nader, en die TOC-verwyderingstempo is ook hoër.
In die elektrokatalitiese gevorderde oksidasiemetode bepaal die eienskappe van die anodemateriaal met hoë suurstofevolusie-oorpotensiaal die selektiwiteit van die elektrokatalitiese gevorderde oksidasiemetode vir die behandeling van organiese besoedelingstowwe. Die katodemateriaal is 'n belangrike faktor wat die produksie van H2O2 bepaal, en die produksie van H2O2 bepaal die doeltreffendheid van die elektrokatalitiese gevorderde oksidasiemetode vir die behandeling van organiese besoedelingstowwe. Die studie van modifikasie van elektrodemateriaal deur gebruik te maak van nano cerium het wydverspreide aandag beide plaaslik en internasionaal ontvang. Navorsers stel hoofsaaklik nano-seriumoksied en sy saamgestelde materiale deur verskillende chemiese metodes bekend om verskillende elektrodemateriale te verander, hul elektrochemiese aktiwiteit te verbeter, en sodoende elektrokatalitiese aktiwiteit en finale verwyderingstempo te verhoog.
Mikrogolf en ultraklank is dikwels belangrike hulpmaatreëls vir bogenoemde katalitiese modelle. Met behulp van ultrasoniese hulp as 'n voorbeeld, met behulp van vibrasie klankgolwe met frekwensies hoër as 25kHz per sekonde, word miljoene uiters klein borrels gegenereer in 'n oplossing geformuleer met 'n spesiaal ontwerpte skoonmaakmiddel. Hierdie klein borrels, tydens vinnige saampersing en uitsetting, produseer voortdurend borrel-inploffing, wat materiaal toelaat om vinnig uit te ruil en op die katalisatoroppervlak te diffundeer, wat dikwels die katalitiese doeltreffendheid eksponensieel verbeter.
3 Gevolgtrekking
Nano ceria en sy saamgestelde materiale kan ione en organiese besoedeling effektief in water behandel, en het belangrike toepassingspotensiaal in toekomstige waterbehandelingsvelde. Die meeste navorsing is egter nog in die laboratoriumstadium, en om vinnige toepassing in waterbehandeling in die toekoms te bewerkstellig, moet die volgende kwessies nog dringend aangespreek word:
(1) Die relatief hoë voorbereidingskoste van nanoCeO2gebaseerde materiale bly 'n belangrike faktor in die oorgrote meerderheid van hul toepassings in waterbehandeling, wat nog in die laboratoriumnavorsingstadium is. Die ondersoek van laekoste, eenvoudige en effektiewe voorbereidingsmetodes wat die morfologie en grootte van nano CeO2-gebaseerde materiale kan reguleer, is steeds 'n fokus van navorsing.
(2) As gevolg van die klein deeltjiegrootte van nano CeO2-gebaseerde materiale, is die herwinnings- en regenerasiekwessies na gebruik ook belangrike faktore wat die toepassing daarvan beperk. Die samestelling daarvan met harsmateriale of magnetiese materiale sal 'n sleutelnavorsingsrigting vir die materiaalvoorbereiding en herwinningstegnologie wees.
(3) Die ontwikkeling van 'n gesamentlike proses tussen nano-CeO2-gebaseerde materiaalwaterbehandelingstegnologie en tradisionele rioolbehandelingstegnologie sal die toepassing van nano-CeO2-gebaseerde materiaalkatalitiese tegnologie op die gebied van waterbehandeling grootliks bevorder.
(4) Daar is nog beperkte navorsing oor die toksisiteit van nano CeO2-gebaseerde materiale, en hul omgewingsgedrag en toksisiteitsmeganisme in waterbehandelingstelsels is nog nie bepaal nie. Die werklike rioolbehandelingsproses behels dikwels die naasbestaan van veelvuldige besoedelingstowwe, en die naasbestaande besoedelingstowwe sal met mekaar in wisselwerking tree, en sodoende die oppervlakkenmerke en potensiële toksisiteit van nanomateriale verander. Daarom is daar 'n dringende behoefte om meer navorsing oor verwante aspekte te doen.
Postyd: 22 Mei 2023