CeO2ay isang mahalagang bahagi ng mga bihirang materyal sa lupa. Angelemento ng bihirang lupa ceriumay may kakaibang panlabas na istrukturang elektroniko - 4f15d16s2. Ang espesyal na 4f layer nito ay maaaring epektibong mag-imbak at maglabas ng mga electron, na ginagawang kumilos ang mga cerium ions sa+3 valence state at+4 valence state. Samakatuwid, ang mga materyales ng CeO2 ay may mas maraming butas ng oxygen, at may mahusay na kakayahang mag-imbak at maglabas ng oxygen. Ang magkaparehong conversion ng Ce (III) at Ce (IV) ay nagbibigay din ng mga materyales sa CeO2 na may natatanging mga kakayahan sa catalytic na pagbabawas ng oksihenasyon. Kung ikukumpara sa mga bulk na materyales, ang nano CeO2, bilang isang bagong uri ng inorganic na materyal, ay nakatanggap ng malawakang atensyon dahil sa mataas na partikular na surface area nito, mahusay na oxygen storage at release na kakayahan, oxygen ion conductivity, redox performance, at high-temperature na mabilis na oxygen vacancy diffusion. kakayahan. Sa kasalukuyan ay may malaking bilang ng mga ulat sa pananaliksik at mga kaugnay na aplikasyon na gumagamit ng nano CeO2 bilang mga catalyst, mga carrier ng catalyst o additives, mga aktibong sangkap, at mga adsorbent.
1. Paraan ng paghahanda ng nanometercerium oxide
Sa kasalukuyan, ang mga karaniwang pamamaraan ng paghahanda para sa nano ceria ay pangunahing kasama ang pamamaraang kemikal at pisikal na pamamaraan. Ayon sa iba't ibang mga pamamaraan ng kemikal, ang mga pamamaraan ng kemikal ay maaaring nahahati sa paraan ng pag-ulan, hydrothermal method, solvothermal method, sol gel method, microemulsion method at electrodeposition method; Ang pisikal na paraan ay higit sa lahat ang paraan ng paggiling.
1.1 Paraan ng paggiling
Ang paraan ng paggiling para sa paghahanda ng nano ceria sa pangkalahatan ay gumagamit ng paggiling ng buhangin, na may mga bentahe ng mababang gastos, pagkamagiliw sa kapaligiran, mabilis na bilis ng pagproseso, at malakas na kakayahan sa pagproseso. Ito ang kasalukuyang pinakamahalagang paraan ng pagproseso sa industriya ng nano ceria. Halimbawa, ang paghahanda ng nano cerium oxide polishing powder sa pangkalahatan ay gumagamit ng kumbinasyon ng calcination at sand grinding, at ang mga hilaw na materyales ng cerium based denitration catalysts ay hinahalo din para sa pre-treatment o ginagamot pagkatapos ng calcination gamit ang sand grinding. Sa pamamagitan ng paggamit ng iba't ibang laki ng butil na sand grinding bead ratios, ang nano ceria na may D50 mula sampu hanggang daan-daang nanometer ay maaaring makuha sa pamamagitan ng pagsasaayos.
1.2 Paraan ng pag-ulan
Ang pamamaraan ng pag-ulan ay tumutukoy sa paraan ng paghahanda ng solidong pulbos sa pamamagitan ng pag-ulan, paghihiwalay, paghuhugas, pagpapatuyo, at calcination ng mga hilaw na materyales na natunaw sa naaangkop na mga solvent. Ang paraan ng pag-ulan ay malawakang ginagamit sa paghahanda ng mga bihirang lupa at doped nanomaterial, na may mga pakinabang tulad ng simpleng proseso ng paghahanda, mataas na kahusayan, at mababang gastos. Ito ay isang karaniwang ginagamit na paraan para sa paghahanda ng nano ceria at ang mga pinagsama-samang materyales nito sa industriya. Ang pamamaraang ito ay maaaring maghanda ng nano ceria na may iba't ibang morpolohiya at laki ng butil sa pamamagitan ng pagbabago ng temperatura ng pag-ulan, konsentrasyon ng materyal, halaga ng pH, bilis ng pag-ulan, bilis ng pagpapakilos, template, atbp. Ang mga karaniwang pamamaraan ay umaasa sa pag-ulan ng mga cerium ions mula sa ammonia na nabuo ng urea decomposition, at ang paghahanda ng nano ceria microspheres ay kinokontrol ng citrate ions. Bilang kahalili, ang mga cerium ions ay maaaring ma-precipitate ng OH - na nabuo mula sa hydrolysis ng sodium citrate, at pagkatapos ay incubated at calcined upang maghanda ng flake tulad ng nano ceria microspheres.
1.3 Hydrothermal at solvothermal na pamamaraan
Ang dalawang pamamaraan na ito ay tumutukoy sa paraan ng paghahanda ng mga produkto sa pamamagitan ng mataas na temperatura at mataas na presyon ng reaksyon sa kritikal na temperatura sa isang saradong sistema. Kapag tubig ang reaction solvent, tinatawag itong hydrothermal method. Kaugnay nito, kapag ang solvent ng reaksyon ay isang organikong solvent, ito ay tinatawag na solvothermal method. Ang synthesized nano particle ay may mataas na kadalisayan, mahusay na dispersion at pare-parehong mga particle, lalo na ang nano powders na may iba't ibang mga morpolohiya o nakalantad na mga espesyal na kristal na mukha. I-dissolve ang cerium chloride sa distilled water, pukawin at magdagdag ng sodium hydroxide solution. Mag-react ng hydrothermal sa 170 ℃ sa loob ng 12 oras upang maghanda ng mga cerium oxide nanorod na may nakalantad na (111) at (110) na mga kristal na eroplano. Sa pamamagitan ng pagsasaayos ng mga kondisyon ng reaksyon, ang proporsyon ng (110) kristal na eroplano sa mga nakalantad na kristal na eroplano ay maaaring tumaas, na higit na mapahusay ang kanilang catalytic na aktibidad. Ang pagsasaayos ng reaksyon na solvent at surface ligand ay maaari ding gumawa ng nano ceria particle na may espesyal na hydrophilicity o lipophilicity. Halimbawa, ang pagdaragdag ng acetate ions sa aqueous phase ay maaaring maghanda ng monodisperse hydrophilic cerium oxide nanoparticle sa tubig. Sa pamamagitan ng pagpili ng non-polar solvent at pagpapakilala ng oleic acid bilang ligand sa panahon ng reaksyon, ang monodisperse lipophilic ceria nanoparticle ay maaaring ihanda sa non-polar organic solvents. (Tingnan ang Larawan 1)
Figure 1 Monodisperse spherical nano ceria at rod-shaped nano ceria
1.4 Paraan ng sol gel
Ang paraan ng sol gel ay isang paraan na gumagamit ng ilan o ilang mga compound bilang mga precursor, nagsasagawa ng mga kemikal na reaksyon tulad ng hydrolysis sa likidong bahagi upang bumuo ng sol, at pagkatapos ay bumubuo ng gel pagkatapos ng pagtanda, at sa wakas ay nagpapatuyo at nag-calcine upang maghanda ng mga ultrafine powder. Ang pamamaraang ito ay partikular na angkop para sa paghahanda ng mataas na dispersed multi-component nano ceria composite nanomaterial, tulad ng cerium iron, cerium titanium, cerium zirconium at iba pang composite nano oxides, na naiulat sa maraming ulat.
1.5 Iba pang mga pamamaraan
Bilang karagdagan sa mga pamamaraan sa itaas, mayroon ding micro lotion method, microwave synthesis method, electrodeposition method, plasma flame combustion method, ion-exchange membrane electrolysis method at marami pang ibang pamamaraan. Ang mga pamamaraan na ito ay may malaking kahalagahan para sa pananaliksik at aplikasyon ng nano ceria.
Paglalapat ng 2-nanometer cerium oxide sa paggamot ng tubig
Ang Cerium ay ang pinaka-masaganang elemento sa mga bihirang elemento ng lupa, na may mababang presyo at malawak na aplikasyon. Ang nanometer ceria at ang mga composite nito ay nakakuha ng maraming pansin sa larangan ng paggamot ng tubig dahil sa kanilang mataas na tiyak na lugar sa ibabaw, mataas na aktibidad ng catalytic at mahusay na katatagan ng istruktura.
2.1 Paglalapat ngNano Cerium Oxidesa Water Treatment sa pamamagitan ng Adsorption Method
Sa mga nakalipas na taon, sa pag-unlad ng mga industriya tulad ng industriya ng electronics, isang malaking halaga ng wastewater na naglalaman ng mga pollutant tulad ng mga heavy metal ions at fluorine ions ay na-discharge. Kahit na sa mga bakas na konsentrasyon, maaari itong magdulot ng malaking pinsala sa mga organismo sa tubig at sa kapaligiran ng pamumuhay ng tao. Kasama sa mga karaniwang ginagamit na pamamaraan ang oxidation, flotation, reverse osmosis, adsorption, nanofiltration, biosorption, atbp. Kabilang sa mga ito, ang teknolohiya ng adsorption ay kadalasang ginagamit dahil sa simpleng operasyon nito, mababang gastos, at mataas na kahusayan sa paggamot. Ang mga materyales ng Nano CeO2 ay may mataas na partikular na lugar sa ibabaw at mataas na aktibidad sa ibabaw bilang mga adsorbents, at nagkaroon ng maraming ulat sa synthesis ng porous nano CeO2 at ang mga composite na materyales nito na may iba't ibang morpolohiya upang i-adsorb at alisin ang mga nakakapinsalang ion mula sa tubig.
Ipinakita ng pananaliksik na ang nano ceria ay may malakas na kapasidad ng adsorption para sa F - sa tubig sa ilalim ng mahinang acidic na mga kondisyon. Sa isang solusyon na may paunang konsentrasyon ng F - ng 100mg/L at pH=5-6, ang kapasidad ng adsorption para sa F - ay 23mg/g, at ang rate ng pag-alis ng F - ay 85.6%. Pagkatapos i-load ito sa isang polyacrylic acid resin ball (loading amount: 0.25g/g), ang kakayahan sa pag-alis ng F - ay maaaring umabot ng higit sa 99% kapag tinatrato ang pantay na dami ng 100mg/L ng F - aqueous solution; Kapag nagpoproseso ng 120 beses ang volume, higit sa 90% ng F - ang maaaring alisin. Kapag ginamit upang i-adsorb ang pospeyt at iodate, ang kapasidad ng adsorption ay maaaring umabot ng higit sa 100mg/g sa ilalim ng katumbas na pinakamainam na estado ng adsorption. Ang ginamit na materyal ay maaaring magamit muli pagkatapos ng simpleng paggamot sa desorption at neutralisasyon, na may mataas na benepisyo sa ekonomiya.
Maraming mga pag-aaral sa adsorption at paggamot ng mga nakakalason na mabibigat na metal tulad ng arsenic, chromium, cadmium, at lead gamit ang nano ceria at ang mga composite na materyales nito. Ang pinakamainam na pH ng adsorption ay nag-iiba para sa mga heavy metal ions na may iba't ibang mga estado ng valence. Halimbawa, ang mahinang alkaline na kondisyon na may neutral na bias ay may pinakamahusay na estado ng adsorption para sa As (III), habang ang pinakamainam na estado ng adsorption para sa As (V) ay nakakamit sa ilalim ng mahinang acidic na mga kondisyon, kung saan ang kapasidad ng adsorption ay maaaring umabot ng higit sa 110mg/g sa ilalim ng pareho. kundisyon. Sa pangkalahatan, ang na-optimize na synthesis ng nano ceria at ang mga composite na materyales nito ay makakamit ang mataas na adsorption at mga rate ng pagtanggal para sa iba't ibang heavy metal ions sa malawak na hanay ng pH.
Sa kabilang banda, ang mga nanomaterial na nakabatay sa cerium oxide ay mayroon ding namumukod-tanging pagganap sa pag-adsorb ng mga organic sa wastewater, tulad ng acid orange, rhodamine B, Congo red, atbp. Halimbawa, sa mga kasalukuyang naiulat na kaso, ang nano ceria porous spheres na inihanda ng mga electrochemical method ay may mataas na kapasidad ng adsorption sa pag-alis ng mga organikong tina, lalo na sa pag-alis ng pula ng Congo, na may kapasidad ng adsorption na 942.7mg/g sa 60 minuto.
2.2 Paglalapat ng nano ceria sa Advanced na proseso ng oksihenasyon
Ang advanced na proseso ng oksihenasyon (AOPs para sa maikli) ay iminungkahi upang mapabuti ang umiiral na anhydrous treatment system. Ang advanced na proseso ng oksihenasyon, na kilala rin bilang teknolohiya ng malalim na oksihenasyon, ay nailalarawan sa pamamagitan ng paggawa ng hydroxyl radical (· OH), superoxide radical (· O2 -), singlet oxygen, atbp. na may malakas na kakayahan sa oksihenasyon. Sa ilalim ng mga kondisyon ng reaksyon ng mataas na temperatura at presyon, kuryente, tunog, ilaw na pag-iilaw, katalista, atbp. Ayon sa iba't ibang paraan ng pagbuo ng mga libreng radical at mga kondisyon ng reaksyon, maaari silang nahahati sa photochemical oxidation, catalytic wet oxidation, sonochemistry oxidation, ozone oksihenasyon, electrochemical oxidation, Fenton oxidation, atbp. (tingnan ang Larawan 2).
Figure 2 Classification at Technology Combination ng Advanced na proseso ng oksihenasyon
Nano ceriaay isang heterogenous catalyst na karaniwang ginagamit sa Advanced na proseso ng oksihenasyon. Dahil sa mabilis na conversion sa pagitan ng Ce3 + at Ce4 + at ang mabilis na epekto ng pagbabawas ng oksihenasyon na dulot ng pagsipsip at pagpapalabas ng oxygen, ang nano ceria ay may mahusay na catalytic na kakayahan. Kapag ginamit bilang isang tagataguyod ng katalista, maaari din itong epektibong mapabuti ang kakayahan at katatagan ng catalytic. Kapag ang nano ceria at ang mga composite na materyales nito ay ginagamit bilang mga catalyst, ang mga katangian ng catalytic ay nag-iiba nang malaki sa morpolohiya, laki ng particle, at nakalantad na mga eroplanong kristal, na mga pangunahing salik na nakakaapekto sa kanilang pagganap at aplikasyon. Sa pangkalahatan ay pinaniniwalaan na mas maliit ang mga particle at mas malaki ang partikular na lugar sa ibabaw, mas kaukulang aktibong site, at mas malakas ang catalytic na kakayahan. Ang catalytic na kakayahan ng nakalantad na kristal na ibabaw, mula malakas hanggang mahina, ay nasa pagkakasunud-sunod ng (100) kristal na ibabaw>(110) kristal na ibabaw>(111) kristal na ibabaw, at ang katumbas na katatagan ay kabaligtaran.
Ang cerium oxide ay isang semiconductor na materyal. Kapag ang nanometer cerium oxide ay na-irradiated ng mga photon na may enerhiya na mas mataas kaysa sa band gap, ang mga electron ng valence band ay nasasabik, at nangyayari ang pag-uugali ng paglipat ng recombination. Ipo-promote ng gawi na ito ang rate ng conversion ng Ce3+ at Ce4+, na nagreresulta sa malakas na aktibidad ng photocatalytic ng nano ceria. Ang photocatalysis ay maaaring makamit ang direktang pagkasira ng organikong bagay nang walang pangalawang polusyon, kaya ang aplikasyon nito ay ang pinaka-pinag-aralan na teknolohiya sa larangan ng nano ceria sa AOPs. Sa kasalukuyan, ang pangunahing pokus ay ang catalytic degradation treatment ng azo dyes, phenol, chlorobenzene, at pharmaceutical wastewater gamit ang mga catalyst na may iba't ibang morphologies at composite compositions. Ayon sa ulat, sa ilalim ng na-optimize na paraan ng synthesis ng catalyst at mga kondisyon ng modelo ng catalytic, ang kapasidad ng pagkasira ng mga sangkap na ito sa pangkalahatan ay maaaring umabot ng higit sa 80%, at ang kapasidad ng pag-alis ng Total organic carbon (TOC) ay maaaring umabot ng higit sa 40%.
Ang nano cerium oxide catalysis para sa pagkasira ng mga organikong pollutant tulad ng ozone at hydrogen peroxide ay isa pang malawakang pinag-aralan na teknolohiya. Katulad ng photocatalysis, nakatutok din ito sa kakayahan ng nano ceria na may iba't ibang morphologies o crystal plane at iba't ibang cerium based composite catalytic oxidants na mag-oxidize at mag-degrade ng mga organikong pollutant. Sa ganitong mga reaksyon, ang mga catalyst ay maaaring mag-catalyze sa pagbuo ng isang malaking bilang ng mga aktibong radical mula sa ozone o hydrogen peroxide, na umaatake sa mga organikong pollutant at nakakamit ang mas mahusay na oxidative degradation na mga kakayahan. Dahil sa pagpapakilala ng mga oxidant sa reaksyon, ang kakayahang mag-alis ng mga organikong compound ay lubos na pinahusay. Sa karamihan ng mga reaksyon, ang huling rate ng pag-alis ng target na substance ay maaaring umabot o lumalapit sa 100%, at mas mataas din ang rate ng pag-alis ng TOC.
Sa electrocatalytic advanced oxidation method, tinutukoy ng mga katangian ng anode material na may mataas na oxygen evolution na overpotential ang selectivity ng electrocatalytic advanced oxidation method para sa paggamot sa mga organic na pollutant. Ang materyal ng cathode ay isang mahalagang kadahilanan sa pagtukoy sa produksyon ng H2O2, at ang produksyon ng H2O2 ay tumutukoy sa kahusayan ng electrocatalytic advanced na paraan ng oksihenasyon para sa paggamot ng mga organikong pollutant. Ang pag-aaral ng electrode material modification gamit ang nano ceria ay nakatanggap ng malawakang atensyon sa loob at sa buong mundo. Pangunahing ipinakilala ng mga mananaliksik ang nano cerium oxide at ang mga composite na materyales nito sa pamamagitan ng iba't ibang pamamaraan ng kemikal upang baguhin ang iba't ibang materyales ng elektrod, pagbutihin ang aktibidad ng electrochemical, at sa gayon ay mapataas ang aktibidad ng electrocatalytic at huling rate ng pagtanggal.
Ang microwave at ultrasound ay kadalasang mahalagang pantulong na mga hakbang para sa mga catalytic na modelo sa itaas. Ang pagkuha ng tulong sa ultrasonic bilang isang halimbawa, gamit ang mga vibration sound wave na may mga frequency na mas mataas sa 25kHz bawat segundo, milyon-milyong napakaliit na bula ang nabubuo sa isang solusyon na binuo gamit ang isang espesyal na idinisenyong ahente ng paglilinis. Ang mga maliliit na bula na ito, sa panahon ng mabilis na pag-compress at pagpapalawak, ay patuloy na gumagawa ng bubble implosion, na nagpapahintulot sa mga materyales na mabilis na magpalitan at magkalat sa ibabaw ng catalyst, na kadalasang pinahuhusay ang kahusayan ng catalytic.
3 Konklusyon
Ang Nano ceria at ang mga composite na materyales nito ay maaaring epektibong gamutin ang mga ion at mga organikong pollutant sa tubig, at may mahalagang potensyal na magamit sa hinaharap na mga larangan ng paggamot sa tubig. Gayunpaman, ang karamihan sa pananaliksik ay nasa yugto pa rin ng laboratoryo, at upang makamit ang mabilis na paggamit sa paggamot ng tubig sa hinaharap, ang mga sumusunod na isyu ay kailangan pa ring agarang matugunan:
(1) Ang medyo mataas na halaga ng paghahanda ng nanoCeO2nananatiling mahalagang salik ang nakabatay sa mga materyales sa karamihan ng kanilang mga aplikasyon sa paggamot ng tubig, na nasa yugto pa rin ng pananaliksik sa laboratoryo. Ang paggalugad sa mura, simple at epektibong paraan ng paghahanda na maaaring umayos sa morpolohiya at laki ng mga materyales na nakabatay sa nano CeO2 ay nakatuon pa rin sa pananaliksik.
(2) Dahil sa maliit na laki ng particle ng nano CeO2 based na mga materyales, ang mga isyu sa pag-recycle at pagbabagong-buhay pagkatapos gamitin ay mahalagang salik din na naglilimita sa kanilang aplikasyon. Ang pinagsama-samang mga materyales na may resin o magnetic na materyales ay magiging isang pangunahing direksyon ng pananaliksik para sa paghahanda ng materyal at teknolohiya ng pag-recycle nito.
(3) Ang pagbuo ng magkasanib na proseso sa pagitan ng nano CeO2 based material water treatment technology at tradisyonal na sewage treatment technology ay lubos na magsusulong ng aplikasyon ng nano CeO2 based material catalytic technology sa larangan ng water treatment.
(4) Mayroon pa ring limitadong pananaliksik sa toxicity ng nano CeO2 based na mga materyales, at ang kanilang pag-uugali sa kapaligiran at mekanismo ng toxicity sa mga sistema ng paggamot sa tubig ay hindi pa natutukoy. Ang aktwal na proseso ng paggamot sa dumi sa alkantarilya ay kadalasang nagsasangkot ng magkakasamang buhay ng maraming pollutant, at ang magkakasamang umiiral na mga pollutant ay makikipag-ugnayan sa isa't isa, sa gayon ay nagbabago ang mga katangian sa ibabaw at potensyal na toxicity ng mga nanomaterial. Samakatuwid, mayroong isang kagyat na pangangailangan na magsagawa ng higit pang pananaliksik sa mga kaugnay na aspeto.
Oras ng post: Mayo-22-2023