CeO2희토류 물질의 중요한 구성 요소입니다. 그만큼희토류 원소 세륨독특한 외부 전자 구조(4f15d16s2)를 가지고 있습니다. 특별한 4f 층은 전자를 효과적으로 저장하고 방출하여 세륨 이온이 +3 원자가 상태 및 +4 원자가 상태에서 동작하도록 할 수 있습니다. 따라서 CeO2 물질은 산소 구멍이 더 많고 산소를 저장하고 방출하는 능력이 뛰어납니다. Ce(III)과 Ce(IV)의 상호 전환은 CeO2 물질에 독특한 산화-환원 촉매 능력을 부여합니다. 나노 CeO2는 벌크 소재에 비해 새로운 형태의 무기 소재로서 높은 비표면적, 우수한 산소 저장 및 방출 능력, 산소 이온 전도성, 산화환원 성능, 고온에서의 빠른 산소 결손 확산 등으로 인해 폭넓은 주목을 받고 있다. 능력. 현재 나노 CeO2를 촉매, 촉매 담체 또는 첨가제, 활성 성분 및 흡착제로 사용하는 많은 연구 보고서 및 관련 응용이 있습니다.
1. 나노미터의 제조방법산화세륨
현재 일반적인 나노세리아 제조방법은 주로 화학적 방법과 물리적 방법이 있다. 다양한 화학적 방법에 따라 화학적 방법은 침전법, 열수법, 용매열법, 졸겔법, 마이크로에멀젼법 및 전착법으로 나눌 수 있습니다. 물리적 방법은 주로 연삭 방법입니다.
1.1 분쇄방법
나노세리아를 제조하기 위한 분쇄방법은 일반적으로 모래분쇄를 사용하는데, 이는 저비용, 환경 친화성, 빠른 가공속도, 강한 가공능력 등의 장점을 가지고 있다. 현재 나노세리아 산업에서 가장 중요한 가공방법이다. 예를 들어, 나노세륨 산화물 연마분말의 제조는 일반적으로 소성과 모래분쇄를 조합한 방식을 채택하고 있으며, 세륨계 탈질 촉매의 원료도 혼합하여 전처리하거나 소성 후 모래분쇄를 통해 처리한다. 다양한 입자 크기의 샌드 그라인딩 비드 비율을 사용하여 조정을 통해 수십에서 수백 나노미터 범위의 D50을 갖는 나노 세리아를 얻을 수 있습니다.
1.2 침전방법
침전법이란 원료를 적절한 용매에 용해시켜 침전, 분리, 세척, 건조, 소성하여 고체분말을 제조하는 방법을 말한다. 침전법은 희토류 및 도핑된 나노물질의 제조에 널리 사용되며, 제조 공정이 간단하고 효율성이 높으며 비용이 저렴하다는 장점이 있습니다. 산업계에서 나노세리아 및 그 복합재료를 제조하는데 일반적으로 사용되는 방법이다. 이 방법은 침전온도, 물질농도, pH값, 침전속도, 교반속도, 주형 등을 변화시켜 형태와 입자크기가 다른 나노세리아를 제조할 수 있다. 일반적인 방법은 요소분해에 의해 생성된 암모니아로부터 세륨이온을 침전시키는 방법에 의존하며, 나노 세리아 미소구체의 제조는 시트레이트 이온에 의해 제어됩니다. 대안적으로, 세륨 이온은 구연산나트륨의 가수분해로부터 생성된 OH에 의해 침전된 후 인큐베이션 및 하소되어 플레이크형 나노 세리아 미세구를 제조할 수 있습니다.
1.3 열수 및 용매열 방법
이 두 가지 방법은 폐쇄계 내에서 임계온도에서 고온, 고압의 반응을 통해 생성물을 제조하는 방법을 말한다. 반응용매가 물인 경우를 열수법이라 한다. 이에 대응하여 반응용매가 유기용매인 경우를 용매열법이라 한다. 합성된 나노입자는 순도가 높고 분산성이 좋으며 입자가 균일합니다. 특히 형태가 다르거나 특수한 결정면이 노출된 나노분말의 경우 더욱 그렇습니다. 염화세륨을 증류수에 녹인 후 저어주고 수산화나트륨 용액을 첨가한다. 170℃에서 12시간 동안 열수반응시켜 (111) 및 (110) 결정면이 노출된 산화세륨 나노막대를 제조한다. 반응 조건을 조정함으로써 노출된 결정면에서 (110) 결정면의 비율을 증가시켜 촉매 활성을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 반응 용매와 표면 리간드를 조정하면 특별한 친수성 또는 친유성을 갖는 나노 세리아 입자를 생성할 수도 있습니다. 예를 들어, 수성 상에 아세테이트 이온을 첨가하면 물에 단분산된 친수성 산화세륨 나노입자를 제조할 수 있습니다. 비극성 용매를 선택하고 반응 중에 리간드로 올레산을 도입함으로써 비극성 유기 용매에서 단분산 친유성 세리아 나노입자를 제조할 수 있습니다. (그림 1 참조)
그림 1 단분산 구형 나노 세리아와 막대형 나노 세리아
1.4 솔겔법
졸겔법은 일부 또는 여러 개의 화합물을 전구체로 사용하여 액상에서 가수분해 등의 화학반응을 진행하여 졸을 형성한 후 숙성 후 겔을 형성하고 최종적으로 건조 및 소성하여 초미세 분말을 제조하는 방법이다. 이 방법은 많은 보고에서 보고된 세륨 철, 세륨 티타늄, 세륨 지르코늄 및 기타 복합 나노 산화물과 같은 고분산성 다성분 나노 세리아 복합 나노물질을 제조하는 데 특히 적합합니다.
1.5 기타 방법
상기 방법 외에도 마이크로로션법, 마이크로파 합성법, 전착법, 플라즈마 화염 연소법, 이온교환막 전기분해법 등 다양한 방법이 있다. 이러한 방법은 나노 세리아의 연구 및 응용에 큰 의미를 갖습니다.
2나노미터 산화세륨을 수처리에 적용
세륨은 희토류 원소 중 가장 풍부한 원소로, 가격이 저렴하고 활용 범위가 넓습니다. 나노미터 세리아 및 그 복합재는 높은 비표면적, 높은 촉매 활성 및 우수한 구조적 안정성으로 인해 수처리 분야에서 많은 주목을 받아 왔습니다.
2.1 적용나노세륨산화물흡착법에 의한 수처리
최근에는 전자산업 등 산업이 발전함에 따라 중금속 이온, 불소 이온 등 오염물질을 함유한 폐수가 다량 배출되고 있다. 미량 농도에서도 수생 생물과 인간 생활 환경에 심각한 해를 끼칠 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 방법으로는 산화, 부양, 역삼투, 흡착, 나노여과, 생물흡착 등이 있다. 그 중 흡착 기술은 조작이 간단하고 비용이 저렴하며 처리 효율이 높기 때문에 채택되는 경우가 많다. 나노 CeO2 물질은 흡착제로서 높은 비표면적과 높은 표면활성을 가지고 있으며, 물 속의 유해이온을 흡착 제거하기 위해 다양한 형태의 다공성 나노 CeO2와 그 복합재료를 합성한 사례가 많이 보고되고 있다.
연구에 따르면 나노 세리아는 약한 산성 조건에서 물에서 F에 대한 강력한 흡착 능력을 가지고 있는 것으로 나타났습니다. 초기 F - 농도가 100mg/L이고 pH=5-6인 용액에서 F - 흡착 용량은 23mg/g이고 F - 제거율은 85.6%입니다. 폴리아크릴산 수지 볼에 로딩(적재량: 0.25g/g)한 후, 100mg/L의 F-수용액을 동량 처리할 경우 F- 제거율은 99% 이상에 도달할 수 있으며; 120배의 부피를 처리하면 90% 이상의 F-를 제거할 수 있습니다. 인산염과 요오드산염을 흡착하는 데 사용하면 흡착 용량은 해당 최적 흡착 상태에서 100mg/g 이상에 도달할 수 있습니다. 사용된 물질은 간단한 탈착 및 중화 처리 후 재사용이 가능하여 경제적 이익이 높습니다.
나노세리아 및 그 복합재료를 이용하여 비소, 크롬, 카드뮴, 납 등의 독성 중금속을 흡착 처리하는 연구는 많이 진행되고 있다. 최적의 흡착 pH는 원자가 상태가 다른 중금속 이온에 따라 다릅니다. 예를 들어, 중성 바이어스를 갖는 약알칼리성 조건은 As(III)에 대한 최상의 흡착 상태를 갖는 반면, As(V)에 대한 최적의 흡착 상태는 약산성 조건에서 달성되며, 두 조건 모두에서 흡착 용량은 110mg/g 이상에 도달할 수 있습니다. 정황. 전반적으로 나노세리아와 그 복합재료의 최적화된 합성은 넓은 pH 범위에서 다양한 중금속 이온에 대한 높은 흡착 및 제거율을 달성할 수 있습니다.
한편, 산화세륨 기반의 나노물질은 애시드 오렌지(acid orange), 로다민 B(rhodamine B), 콩고 레드(Congo red) 등과 같이 폐수 내 유기물을 흡착하는 성능이 뛰어납니다. 예를 들어 기존에 보고된 사례에서는 전기화학적 방법으로 제조된 나노 세리아 다공성 구체가 유기 염료 제거 시 흡착 용량, 특히 콩고 레드 제거 시 흡착 용량은 60분당 942.7mg/g입니다.
2.2 고도산화공정에 나노세리아 적용
기존 무수 처리 시스템을 개선하기 위해 고급 산화 공정(줄여서 AOP)이 제안되었습니다. 심산화기술이라고도 불리는 고도산화공정은 산화능력이 강한 수산화라디칼(·OH), 과산화물라디칼(·O2-), 일중항산소 등을 생성하는 것이 특징이다. 고온, 고압, 전기, 소리, 빛 조사, 촉매 등의 반응 조건에서 자유 라디칼을 생성하는 다양한 방식과 반응 조건에 따라 광화학 산화, 촉매 습식 산화, 음파 화학 산화, 오존으로 나눌 수 있습니다. 산화, 전기화학적 산화, 펜톤 산화 등(그림 2 참조).
그림 2 고급산화공정의 분류와 기술의 결합
나노세리아고급 산화 공정에서 일반적으로 사용되는 불균일 촉매입니다. Ce3+와 Ce4+ 사이의 빠른 전환과 산소의 흡수 및 방출에 따른 빠른 산화-환원 효과로 인해 나노세리아는 우수한 촉매 능력을 가지고 있습니다. 촉매 촉진제로 사용하면 촉매 능력과 안정성도 효과적으로 향상시킬 수 있습니다. 나노세리아와 그 복합재료를 촉매로 사용하는 경우 성능과 응용에 영향을 미치는 핵심 요소인 형태, 입자 크기, 노출된 결정면에 따라 촉매 특성이 크게 달라집니다. 일반적으로 입자가 작고 비표면적이 클수록 해당 활성 부위가 많아지고 촉매 능력이 강해지는 것으로 알려져 있습니다. 노출된 결정 표면의 촉매 능력은 강한 것부터 약한 것까지 (100) 결정 표면>(110) 결정 표면>(111) 결정 표면 순으로 나타나며 해당 안정성은 반대입니다.
산화세륨은 반도체 재료이다. 나노미터 산화세륨에 밴드갭보다 높은 에너지를 갖는 광자가 조사되면 가전자대 전자가 여기되어 전이 재결합 거동이 일어납니다. 이러한 거동은 Ce3+ 및 Ce4+의 전환율을 촉진하여 나노 세리아의 강력한 광촉매 활성을 가져옵니다. 광촉매는 2차 오염 없이 유기물을 직접 분해할 수 있어 AOP의 나노세리아 분야에서 가장 많이 연구된 기술이다. 현재 다양한 형태와 복합 조성을 가진 촉매를 사용하여 아조 염료, 페놀, 클로로벤젠 및 제약 폐수의 촉매 분해 처리에 중점을 두고 있습니다. 보고서에 따르면, 최적화된 촉매 합성 방법과 촉매 모델 조건에서 이들 물질의 분해 능력은 일반적으로 80% 이상에 도달할 수 있으며, 총유기탄소(TOC) 제거 능력은 40% 이상에 도달할 수 있습니다.
오존 및 과산화수소와 같은 유기 오염물질의 분해를 위한 나노 산화세륨 촉매작용은 널리 연구된 또 다른 기술입니다. 광촉매와 유사하게, 이는 또한 유기 오염물질을 산화 및 분해하는 다양한 형태 또는 결정 평면과 다양한 세륨 기반 복합 촉매 산화제를 가진 나노 세리아의 능력에 중점을 둡니다. 이러한 반응에서 촉매는 유기 오염물질을 공격하고 보다 효율적인 산화 분해 능력을 달성하는 오존이나 과산화수소로부터 많은 수의 활성 라디칼 생성을 촉매할 수 있습니다. 반응에 산화제를 도입함으로써 유기 화합물을 제거하는 능력이 크게 향상됩니다. 대부분의 반응에서 목표 물질의 최종 제거율은 100%에 도달하거나 근접할 수 있으며 TOC 제거율도 더 높습니다.
전기촉매 고급 산화 방법에서는 산소 발생 과전압이 높은 양극 재료의 특성이 유기 오염물질 처리를 위한 전기촉매 고급 산화 방법의 선택성을 결정합니다. 양극재는 H2O2 생성을 결정하는 중요한 요소로, H2O2 생성에 따라 유기오염물질을 처리하는 전기촉매고도산화공법의 효율이 결정됩니다. 나노세리아를 이용한 전극재료 개질 연구는 국내외적으로 큰 주목을 받고 있다. 연구자들은 주로 다양한 화학적 방법을 통해 나노 세륨 산화물과 그 복합 재료를 도입하여 다양한 전극 재료를 수정하고 전기 화학적 활성을 향상시켜 전기 촉매 활성과 최종 제거 속도를 높입니다.
전자레인지와 초음파는 위의 촉매 모델에 대한 중요한 보조 조치인 경우가 많습니다. 초음파 보조를 예로 들면, 초당 25kHz보다 높은 주파수의 진동 음파를 사용하여 특별히 설계된 세척제로 구성된 용액에서 수백만 개의 매우 작은 기포가 생성됩니다. 빠른 압축 및 팽창 중에 이러한 작은 기포는 지속적으로 기포 파열을 생성하여 물질이 촉매 표면에서 빠르게 교환 및 확산되도록 하며 종종 촉매 효율성을 기하급수적으로 향상시킵니다.
3 결론
나노세리아 및 그 복합재료는 물 속의 이온과 유기 오염물질을 효과적으로 처리할 수 있으며, 미래 수처리 분야에서 중요한 응용 가능성을 가지고 있습니다. 그러나 대부분의 연구는 아직 실험실 단계에 있으며, 향후 수처리 분야에 신속한 적용을 위해서는 다음과 같은 문제가 시급히 해결되어야 합니다.
(1) 나노의 상대적으로 높은 준비 비용CeO2기반 재료는 여전히 실험실 연구 단계에 있는 수처리 분야의 대다수 응용 분야에서 중요한 요소로 남아 있습니다. 나노 CeO2 기반 물질의 형태와 크기를 조절할 수 있는 저렴하고 간단하며 효과적인 준비 방법을 탐색하는 것은 여전히 연구의 초점입니다.
(2) 나노 CeO2 기반 물질은 입자 크기가 작기 때문에 사용 후 재활용 및 재생 문제도 응용을 제한하는 중요한 요소입니다. 수지재료나 자성재료와의 복합화는 재료 제조 및 재활용 기술의 핵심 연구 방향이 될 것이다.
(3) 나노 CeO2 기반 소재 수처리 기술과 기존 하수 처리 기술의 결합 공정 개발은 수처리 분야에서 나노 CeO2 기반 소재 촉매 기술의 적용을 크게 촉진할 것입니다.
(4) 나노 CeO2 기반 물질의 독성에 대한 연구는 여전히 제한적이며, 수처리 시스템에서의 환경 거동 및 독성 메커니즘은 아직 결정되지 않았습니다. 실제 하수 처리 과정에는 여러 오염물질이 공존하는 경우가 많으며, 공존하는 오염물질은 서로 상호 작용하여 나노물질의 표면 특성과 잠재적인 독성을 변화시킵니다. 따라서 관련 측면에 대한 더 많은 연구를 수행할 필요성이 시급하다.
게시 시간: 2023년 5월 22일