CeO2yn elfen bwysig o ddeunyddiau daear prin. Mae'relfen daear prin ceriwmmae ganddo strwythur electronig allanol unigryw - 4f15d16s2. Gall ei haen 4f arbennig storio a rhyddhau electronau yn effeithiol, gan wneud i ïonau cerium ymddwyn yn y cyflwr falens + 3 a + 4 cyflwr falens. Felly, mae gan ddeunyddiau CeO2 fwy o dyllau ocsigen, ac mae ganddynt allu rhagorol i storio a rhyddhau ocsigen. Mae trawsnewid Ce (III) a Ce (IV) ar y cyd hefyd yn rhoi galluoedd catalytig unigryw i leihau ocsidiad i ddeunyddiau CeO2. O'i gymharu â deunyddiau swmp, mae nano CeO2, fel math newydd o ddeunydd anorganig, wedi cael sylw eang oherwydd ei arwynebedd penodol uchel, gallu storio a rhyddhau ocsigen rhagorol, dargludedd ïon ocsigen, perfformiad rhydocs, a thrylediad swyddi gwag ocsigen cyflym tymheredd uchel. gallu. Ar hyn o bryd mae yna nifer fawr o adroddiadau ymchwil a chymwysiadau cysylltiedig gan ddefnyddio nano CeO2 fel catalyddion, cludwyr catalydd neu ychwanegion, cydrannau gweithredol, ac adsorbents.
1. Dull paratoi nanomedrcerium ocsid
Ar hyn o bryd, mae'r dulliau paratoi cyffredin ar gyfer nano ceria yn bennaf yn cynnwys dull cemegol a dull corfforol. Yn ôl gwahanol ddulliau cemegol, gellir rhannu dulliau cemegol yn ddull dyddodiad, dull hydrothermol, dull solvothermal, dull gel sol, dull microemwlsiwn a dull electrodeposition; Y dull corfforol yn bennaf yw'r dull malu.
1.1 Dull malu
Mae'r dull malu ar gyfer paratoi nano ceria yn gyffredinol yn defnyddio malu tywod, sydd â manteision cost isel, cyfeillgarwch amgylcheddol, cyflymder prosesu cyflym, a gallu prosesu cryf. Ar hyn o bryd dyma'r dull prosesu pwysicaf yn y diwydiant nano ceria. Er enghraifft, mae paratoi powdr caboli nano cerium ocsid yn gyffredinol yn mabwysiadu cyfuniad o galchynnu a malu tywod, ac mae deunyddiau crai catalyddion dadnitradiad cerium hefyd yn cael eu cymysgu i'w trin ymlaen llaw neu eu trin ar ôl calchynnu gan ddefnyddio malu tywod. Trwy ddefnyddio cymarebau gleiniau malu tywod o wahanol faint gronynnau, gellir cael nano ceria gyda D50 yn amrywio o ddegau i gannoedd o nanometrau trwy addasiad.
1.2 Dull dyodiad
Mae'r dull dyddodiad yn cyfeirio at y dull o baratoi powdr solet trwy wlybaniaeth, gwahanu, golchi, sychu, a chalchio deunyddiau crai wedi'u toddi mewn toddyddion priodol. Mae'r dull dyddodiad yn cael ei ddefnyddio'n helaeth wrth baratoi daear prin a nanodefnyddiau doped, gyda manteision megis proses baratoi syml, effeithlonrwydd uchel, a chost isel. Mae'n ddull a ddefnyddir yn gyffredin ar gyfer paratoi nano ceria a'i ddeunyddiau cyfansawdd mewn diwydiant. Gall y dull hwn baratoi nano ceria gyda morffoleg a maint gronynnau gwahanol trwy newid tymheredd dyddodiad, crynodiad deunydd, gwerth pH, cyflymder dyddodiad, cyflymder troi, templed, ac ati. ac mae paratoi microsfferau nano ceria yn cael ei reoli gan ïonau citrad. Fel arall, gall ïonau cerium gael eu gwaddodi gan OH - a gynhyrchir o hydrolysis sodiwm sitrad, ac yna eu deor a'u calchynnu i baratoi nano ceria microspheres.
1.3 Dulliau hydrothermol a solvothermol
Mae'r ddau ddull hyn yn cyfeirio at y dull o baratoi cynhyrchion trwy adwaith tymheredd uchel a phwysedd uchel ar dymheredd critigol mewn system gaeedig. Pan fo'r toddydd adwaith yn ddŵr, fe'i gelwir yn ddull hydrothermol. Yn gyfatebol, pan fo'r toddydd adwaith yn doddydd organig, fe'i gelwir yn ddull solvothermal. Mae gan y gronynnau nano wedi'u syntheseiddio purdeb uchel, gwasgariad da a gronynnau unffurf, yn enwedig y powdr nano â gwahanol forffolegau neu wynebau crisial arbennig agored. Hydoddwch cerium clorid mewn dŵr distyll, ei droi ac ychwanegu hydoddiant sodiwm hydrocsid. Adweithio hydrothermol ar 170 ℃ am 12 awr i baratoi nanorods cerium ocsid gydag awyrennau grisial agored (111) a (110). Trwy addasu'r amodau adwaith, gellir cynyddu cyfran yr awyrennau crisial (110) yn yr awyrennau crisial agored, gan wella eu gweithgaredd catalytig ymhellach. Gall addasu'r toddydd adwaith a ligandau arwyneb hefyd gynhyrchu gronynnau nano ceria gyda hydrophilicity arbennig neu lipophilicity. Er enghraifft, gall ychwanegu ïonau asetad i'r cyfnod dyfrllyd baratoi nanoronynnau cerium ocsid monodisperse mewn dŵr. Trwy ddewis toddydd an-begynol a chyflwyno asid oleic fel ligand yn ystod yr adwaith, gellir paratoi nanoronynnau ceria lipoffilig monodisperse mewn toddyddion organig nad ydynt yn begynol. (Gweler Ffigur 1)
Ffigur 1 Nano ceria sfferig monodisperse a nano ceria siâp gwialen
1.4 dull gel Sol
Mae'r dull gel sol yn ddull sy'n defnyddio rhai neu nifer o gyfansoddion fel rhagflaenwyr, yn cynnal adweithiau cemegol fel hydrolysis yn y cyfnod hylif i ffurfio sol, ac yna'n ffurfio gel ar ôl heneiddio, ac yn olaf yn sychu a chalchinau i baratoi powdrau ultrafine. Mae'r dull hwn yn arbennig o addas ar gyfer paratoi nanomaterials cyfansawdd nano ceria aml-gydran gwasgaredig iawn, megis haearn cerium, titaniwm cerium, cerium zirconium a nano ocsidau cyfansawdd eraill, a adroddwyd mewn llawer o adroddiadau.
1.5 Dulliau eraill
Yn ogystal â'r dulliau uchod, mae yna hefyd ddull micro eli, dull synthesis microdon, dull electrodeposition, dull hylosgi fflam plasma, dull electrolysis bilen cyfnewid ïon a llawer o ddulliau eraill. Mae gan y dulliau hyn arwyddocâd mawr ar gyfer ymchwil a chymhwyso nano ceria.
Cymhwyso cerium ocsid 2-nanometer mewn trin dŵr
Cerium yw'r elfen fwyaf helaeth ymhlith elfennau prin y ddaear, gyda phrisiau isel a chymwysiadau eang. Mae ceria nanometer a'i gyfansoddion wedi denu llawer o sylw ym maes trin dŵr oherwydd eu harwynebedd penodol uchel, gweithgaredd catalytig uchel a sefydlogrwydd strwythurol rhagorol.
2.1 CymhwysoNano Cerium Ocsidmewn Trin Dŵr trwy Ddull Arsugno
Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda datblygiad diwydiannau megis y diwydiant electroneg, mae llawer iawn o ddŵr gwastraff sy'n cynnwys llygryddion fel ïonau metel trwm ac ïonau fflworin wedi'i ollwng. Hyd yn oed ar grynodiadau hybrin, gall achosi niwed sylweddol i organebau dyfrol a'r amgylchedd byw dynol. Mae dulliau a ddefnyddir yn gyffredin yn cynnwys ocsidiad, arnofio, osmosis gwrthdro, arsugniad, nanofiltrau, biosorption, ac ati. Yn eu plith, mae technoleg arsugniad yn cael ei fabwysiadu'n aml oherwydd ei weithrediad syml, cost isel, ac effeithlonrwydd triniaeth uchel. Mae gan ddeunyddiau Nano CeO2 arwynebedd arwyneb penodol uchel a gweithgaredd arwyneb uchel fel arsugnyddion, a bu llawer o adroddiadau ar synthesis nano mandyllog CeO2 a'i ddeunyddiau cyfansawdd gyda gwahanol forffolegau i arsugniad a thynnu ïonau niweidiol o ddŵr.
Mae ymchwil wedi dangos bod gan nano ceria allu arsugniad cryf ar gyfer F - mewn dŵr o dan amodau asidig gwan. Mewn hydoddiant gyda chrynodiad cychwynnol o F - o 100mg/L a pH = 5-6, y gallu arsugniad ar gyfer F - yw 23mg/g, a chyfradd tynnu F - yw 85.6%. Ar ôl ei lwytho ar bêl resin asid polyacrylig (swm llwytho: 0.25g/g), gall gallu tynnu F - gyrraedd dros 99% wrth drin cyfaint cyfartal o 100mg/L o F - hydoddiant dyfrllyd; Wrth brosesu 120 gwaith y gyfaint, gellir tynnu mwy na 90% o F -. Pan gaiff ei ddefnyddio i arsugniad ffosffad ac ïodiad, gall y gallu arsugniad gyrraedd dros 100mg / g o dan y cyflwr arsugniad gorau posibl cyfatebol. Gellir ailddefnyddio'r deunydd a ddefnyddir ar ôl triniaeth dadsugniad a niwtraliad syml, sydd â buddion economaidd uchel.
Mae yna lawer o astudiaethau ar arsugniad a thrin metelau trwm gwenwynig fel arsenig, cromiwm, cadmiwm, a phlwm gan ddefnyddio nano ceria a'i ddeunyddiau cyfansawdd. Mae'r pH arsugniad gorau posibl yn amrywio ar gyfer ïonau metel trwm gyda gwahanol gyflyrau falens. Er enghraifft, y cyflwr alcalïaidd gwan gyda thuedd niwtral sydd â'r cyflwr arsugniad gorau ar gyfer As (III), tra bod y cyflwr arsugniad gorau posibl ar gyfer As (V) yn cael ei gyflawni o dan amodau asidig gwan, lle gall y gallu arsugniad gyrraedd dros 110mg / g o dan y ddau. amodau. Ar y cyfan, gall y synthesis optimaidd o nano ceria a'i ddeunyddiau cyfansawdd gyflawni cyfraddau arsugniad a thynnu uchel ar gyfer ïonau metel trwm amrywiol dros ystod pH eang.
Ar y llaw arall, mae gan nanomaterials sy'n seiliedig ar cerium ocsid hefyd berfformiad rhagorol o ran adsorbing organics mewn dŵr gwastraff, megis asid oren, rhodamine B, Congo coch, ac ati Er enghraifft, mewn achosion a adroddwyd eisoes, mae gan sfferau mandyllog nano ceria a baratowyd gan ddulliau electrocemegol uchel. gallu arsugniad wrth dynnu llifynnau organig, yn enwedig wrth gael gwared ar goch Congo, gyda chynhwysedd arsugniad o 942.7mg/g mewn 60 munudau.
2.2 Cymhwyso nano ceria yn y broses ocsideiddio Uwch
Cynigir proses ocsideiddio uwch (AOPs yn fyr) i wella'r system trin anhydrus bresennol. Nodweddir proses ocsideiddio uwch, a elwir hefyd yn dechnoleg ocsideiddio dwfn, gan gynhyrchu radical hydroxyl (· OH), radical superoxide (· O2 -), ocsigen singlet, ac ati gyda gallu ocsideiddio cryf. O dan amodau adwaith tymheredd a phwysau uchel, trydan, sain, arbelydru ysgafn, catalydd, ac ati Yn ôl y gwahanol ffyrdd o gynhyrchu radicalau rhydd ac amodau adwaith, gellir eu rhannu'n ocsidiad ffotocemegol, ocsidiad gwlyb catalytig, ocsidiad sonochemistry, osôn ocsidiad, ocsidiad electrocemegol, ocsidiad Fenton, ac ati (gweler Ffigur 2).
Ffigur 2 Dosbarthiad a Thechnoleg Cyfuniad o broses ocsideiddio Uwch
Nano ceriayn gatalydd heterogenaidd a ddefnyddir yn gyffredin yn y broses ocsideiddio Uwch. Oherwydd y trawsnewid cyflym rhwng Ce3 + a Ce4 + a'r effaith lleihau ocsideiddio cyflym a achosir gan amsugno a rhyddhau ocsigen, mae gan nano ceria allu catalytig da. Pan gaiff ei ddefnyddio fel hyrwyddwr catalydd, gall hefyd wella gallu a sefydlogrwydd catalytig yn effeithiol. Pan ddefnyddir nano ceria a'i ddeunyddiau cyfansawdd fel catalyddion, mae'r priodweddau catalytig yn amrywio'n fawr yn ôl morffoleg, maint gronynnau, ac awyrennau crisial agored, sy'n ffactorau allweddol sy'n effeithio ar eu perfformiad a'u cymhwysiad. Credir yn gyffredinol mai'r lleiaf yw'r gronynnau a'r mwyaf yw'r arwynebedd arwyneb penodol, y mwyaf cyfatebol yw'r safle gweithredol, a'r cryfaf yw'r gallu catalytig. Mae gallu catalytig yr arwyneb grisial agored, o gryf i wan, yn nhrefn (100) arwyneb grisial> (110) arwyneb grisial> (111) wyneb grisial, ac mae'r sefydlogrwydd cyfatebol gyferbyn.
Mae cerium ocsid yn ddeunydd lled-ddargludyddion. Pan fydd nanomedr cerium ocsid yn cael ei arbelydru gan ffotonau ag egni uwch na'r bwlch band, mae'r electronau band falens yn gyffrous, ac mae'r ymddygiad ailgyfuno trawsnewid yn digwydd. Bydd yr ymddygiad hwn yn hybu cyfradd trosi Ce3+ a Ce4+, gan arwain at weithgarwch ffotocatalytig cryf o nano ceria. Gall ffotocatalysis ddiraddio mater organig yn uniongyrchol heb lygredd eilaidd, felly ei gymhwysiad yw'r dechnoleg a astudiwyd fwyaf ym maes nano ceria mewn AOPs. Ar hyn o bryd, mae'r prif ffocws ar drin diraddio catalytig llifynnau azo, ffenol, clorobensen, a dŵr gwastraff fferyllol gan ddefnyddio catalyddion â gwahanol forffolegau a chyfansoddiadau cyfansawdd. Yn ôl yr adroddiad, o dan y dull synthesis catalydd optimized ac amodau model catalytig, gall cynhwysedd diraddio'r sylweddau hyn gyrraedd mwy na 80% yn gyffredinol, a gall gallu tynnu Cyfanswm carbon organig (TOC) gyrraedd mwy na 40%.
Mae catalysis nano cerium ocsid ar gyfer diraddio llygryddion organig fel osôn a hydrogen perocsid yn dechnoleg arall a astudiwyd yn eang. Yn debyg i ffotocatalysis, mae hefyd yn canolbwyntio ar allu nano ceria gyda gwahanol forffolegau neu awyrennau grisial a gwahanol ocsidyddion catalytig cyfansawdd sy'n seiliedig ar cerium i ocsideiddio a diraddio llygryddion organig. Mewn adweithiau o'r fath, gall catalyddion gataleiddio cynhyrchu nifer fawr o radicalau gweithredol o osôn neu hydrogen perocsid, sy'n ymosod ar lygryddion organig ac yn cyflawni galluoedd diraddio ocsideiddiol mwy effeithlon. Oherwydd cyflwyniad ocsidyddion yn yr adwaith, mae'r gallu i gael gwared ar gyfansoddion organig yn cael ei wella'n fawr. Yn y rhan fwyaf o adweithiau, gall cyfradd tynnu terfynol y sylwedd targed gyrraedd neu agosáu at 100%, ac mae cyfradd tynnu TOC hefyd yn uwch.
Yn y dull ocsideiddio datblygedig electrocatalytig, mae priodweddau'r deunydd anod ag esblygiad ocsigen uchel yn or-botensial yn pennu detholedd y dull ocsideiddio uwch electrocatalytig ar gyfer trin llygryddion organig. Mae'r deunydd catod yn ffactor pwysig sy'n pennu cynhyrchiad H2O2, ac mae cynhyrchu H2O2 yn pennu effeithlonrwydd y dull ocsideiddio uwch electrocatalytig ar gyfer trin llygryddion organig. Mae'r astudiaeth o addasu deunydd electrod gan ddefnyddio nano ceria wedi cael sylw eang yn ddomestig ac yn rhyngwladol. Mae ymchwilwyr yn bennaf yn cyflwyno nano cerium ocsid a'i ddeunyddiau cyfansawdd trwy wahanol ddulliau cemegol i addasu gwahanol ddeunyddiau electrod, gwella eu gweithgaredd electrocemegol, a thrwy hynny gynyddu gweithgaredd electrocatalytig a chyfradd tynnu terfynol.
Mae microdon ac uwchsain yn aml yn fesurau ategol pwysig ar gyfer y modelau catalytig uchod. Gan gymryd cymorth ultrasonic fel enghraifft, gan ddefnyddio tonnau sain dirgrynol ag amleddau uwch na 25kHz yr eiliad, cynhyrchir miliynau o swigod bach iawn mewn datrysiad a luniwyd gydag asiant glanhau a ddyluniwyd yn arbennig. Mae'r swigod bach hyn, yn ystod cywasgu ac ehangu cyflym, yn cynhyrchu implosion swigen yn gyson, gan ganiatáu i ddeunyddiau gyfnewid a gwasgaru'n gyflym ar wyneb y catalydd, gan wella effeithlonrwydd catalytig yn aml yn esbonyddol.
3 Casgliad
Gall Nano ceria a'i ddeunyddiau cyfansawdd drin ïonau a llygryddion organig mewn dŵr yn effeithiol, ac mae ganddynt botensial cymhwysiad pwysig mewn meysydd trin dŵr yn y dyfodol. Fodd bynnag, mae'r rhan fwyaf o ymchwil yn dal i fod yn y cyfnod labordy, ac er mwyn cyflawni defnydd cyflym mewn trin dŵr yn y dyfodol, mae angen mynd i'r afael â'r materion canlynol ar frys:
(1) Cost paratoi cymharol uchel nanoCeO2mae deunyddiau seiliedig yn parhau i fod yn ffactor pwysig yn y mwyafrif helaeth o'u cymwysiadau mewn trin dŵr, sy'n dal i fod yn y cam ymchwil labordy. Mae archwilio dulliau paratoi cost isel, syml ac effeithiol a all reoleiddio morffoleg a maint deunyddiau nano CeO2 yn dal i fod yn ffocws ymchwil.
(2) Oherwydd maint gronynnau bach deunyddiau nano CeO2, mae'r materion ailgylchu ac adfywio ar ôl eu defnyddio hefyd yn ffactorau pwysig sy'n cyfyngu ar eu cymhwysiad. Bydd ei gyfansawdd â deunyddiau resin neu ddeunyddiau magnetig yn gyfeiriad ymchwil allweddol ar gyfer ei dechnoleg paratoi deunyddiau ac ailgylchu.
(3) Bydd datblygu proses ar y cyd rhwng technoleg trin dŵr deunydd nano CeO2 a thechnoleg trin carthion traddodiadol yn hyrwyddo'n fawr y defnydd o dechnoleg catalytig deunydd nano CeO2 ym maes trin dŵr.
(4) Mae ymchwil gyfyngedig o hyd ar wenwyndra deunyddiau nano CeO2, ac nid yw eu hymddygiad amgylcheddol a'u mecanwaith gwenwyndra mewn systemau trin dŵr wedi'u pennu eto. Mae'r broses trin carthffosiaeth wirioneddol yn aml yn golygu bod llygryddion lluosog yn cydfodoli, a bydd y llygryddion sy'n cydfodoli yn rhyngweithio â'i gilydd, a thrwy hynny newid nodweddion wyneb a gwenwyndra posibl nanoddeunyddiau. Felly, mae angen gwneud mwy o ymchwil ar agweddau cysylltiedig ar fyrder.
Amser postio: Mai-22-2023