纳米炭光催化材料的制备及应用

纳米炭光催化材料的制备及应用

马翾

（四川大学，四川成都610044）

摘要：炭材料具有比表面积较大、微孔结构发达、热稳定性强等优点，与光催化材料结合形成的复合材料在环境方面的作用日益凸显。本文主要介绍碳纳米管光催化材料以及材料制备方法，并就炭基光催化材料在环境催化中的应用及发展前景进行论述。

关键词：光催化；纳米碳；TiO2

前言

光催化技术因其成本低、环境友好的特点，在相当长时间段一直是高性能催化材料的一个热点，目前为止，研究在应用以及机理方面都取得了一定的进展，以TiO2为载体的光催化技术已成功应用于废水处理、空气净化、自清洁表面、染料敏化太阳电池以及抗菌等多个领域[1]。但对光催化作用机理的研究成果仍不足以指导光催化技术的大规模工业化应用，亟待大力开展光催化基本原理研究工作以促进这一领域的发展。

寻找和制备高量子效率光催化材料是实现光能转换的先决条件，也是光催化材料研究者所需要解决的首要任务之一。炭材料具有比表面积较大、微孔结构发达、表面官能团多种多样、耐热稳定性较强、耐酸碱化学稳定性强、导电性能优异等优点，与光催化材料结合形成的复合材料在光催化领域逐渐兴起。

1、炭基光催化材料

随着对光催化技术的重视，光催化剂的种类也在不断增多，包括TiO2、ZnO、CdS和Bi2O3等。TiO2化学稳定性好，光催化活性强，TiO2光催化去除水中或空气中的污染物已被广泛研究，但是由于受其带隙能的限制，只对紫外光响应，光能利用率低[2]。其余各光催化剂也都存在着不同的缺点，为改善现有光催化剂的光催化性能，可以采用非金属碳离子掺杂、碳单质修饰和碳化合物修饰等方法[3]。炭基光催化材料主要是指以多孔炭基材料为载体，负载光催化剂而形成的复合材料，主要包括大孔炭基光催化材料、碳纳米管基光催化材料、活性炭基光催化材料等，其制备方法多种多样，包括溶胶－凝胶法、化学气相沉积法、偶联法、分子吸附－沉积法等[4]。

2、碳纳米管/TiO2

碳纳米管（CNT）因其独特的结构以及优异的化学、热、电性质，在多种学科上都受到关注。在催化领域，特别是异相催化方面，碳纳米管已被视为一个最具潜能的应用材料[4]。CNT具有多种电子特性，可以表现出金属导电性，具有大的电子存储容量。同时，CNT-TiO2可以增加重组时间。CNT还可提供更大的比表面积从而增强光催化降解。此外，可以通过改变CNT表面基团来增强对吸附剂的特异性。当通过酸处理纯化时，CNT在其表面上形成醇、酮和酸部分。这些基团可以进一步改进以改善特定物种的吸附，这是一种优于活性炭的优势。

过去10年，有许多学者研究碳纳米管/TiO2的混合物及复合材料的光催化活性。使用改进的溶胶-凝胶法得到的锐钛矿型TiO2的MWCNT（多层碳纳米管）显示出比单独的任一组分或简单混合物中更高的苯酚降解速率[5]。有学者称，这是因为悬浮液中TiO2的反应表面积增加，同时TiO2和MWCNT之间产生协同光化学效应。使用溶胶-凝胶法涂覆锐钛矿的MWCNT同时显示出分散在水中的细菌内生孢子的高光催化灭活。O.Akhavan等人[6]用凝胶-溶胶法制备了不同含量CNT的TiO2薄膜，并将其用于大肠杆菌的可见光降解，随着CNT含量的增加（≤40%），TiO2薄膜可以在可见光范围内作用。

制备纳米粉晶的一种有效途径就是凝胶-溶胶法（Sol—Gel）[7]，大量学者用其制备碳纳米管/TiO2复合材料。有机前驱体经过水解和缩聚反应而形成溶胶，溶胶粒子按一定的机理生长，扩散形成分散状的聚集体。当溶胶中的液相因温度变化、搅拌作用、化学反应或电化学作用而部分失去时，体系黏度增大，达到一定程度时形成凝胶。

3、纳米炭基光催化材料的应用

催化法是解决许多环境问题的一种非常重要的方法。环境催化是指利用催化的技术消除环境中有害的，无用的化合物排放。目前，碳材料涉及到的环境催化领域主要有：汽车尾气净化、氮氧化物去除、CO去除、硫化物去除、挥发性有机物等[8]。CNT-TiO2复合材料最可能的应用是用于处理水和空气流中的各种生物，有机或无机有害污染物。光催化作为高级氧化技术的一种，因其可以产生羟基自由基，将有机物矿化，在环境、化学、材料等交叉学科引起了研究热潮。该法能与绝大多数有机污染物反应，是十分具前景的水处理技术。碳纳米管与TiO2形成复合光催化剂，可实现两种物质的相互协同，产生更多的性能。

4、结语

CNT已经被各种公司越来越多地用于高档和工业合成。但是目前来说，技术处理尚未成熟，还需要解决质量控制问题。现有的高产率合成技术，例如使用金属催化剂的燃烧化学气相沉积或化学气相沉积，仍然表现出诸如产品性质不均匀的问题，导致光催化活性的不能有很好的增强。此外，残留的催化剂材料会在产物中，而且可能需要后期处理以进一步纯化纳米管。对于纯度要求更高的一些其他技术，例如电弧放电和激光烧蚀，由于产率低下，也不太利于工业应用。对于CNT-TiO2复合系统我们仍需进一步研究，从而可以定制和合成大量均匀的复合材料。这或许也将成为解决各种环境和自清洁问题的有力手段。

参考文献

[1]闫世成,罗文俊,李朝升,等.新型光催化材料探索和研究进展[J].中国材料进展,2010,29(1):1-9.

[2]YouM,KimTG,SungYM.SynthesisofCu-DopedTiO2NanorodswithVariousAspectRatiosandDopantConcentrations[J].CrystalGrowth&Design,2016,10(2):296-298.

[3]徐丽亚,陈寅生,王泽群,等.碳基光催化剂研究进展[J].工业催化,2018(3).

[4]卢幼琴,袁建军,徐晓龙,等.炭基光催化材料的应用进展[J].化工新型材料,2015(10):215-217.

[5]YaoY,LiG,CistonS,etal.PhotoreactiveTiO2/CarbonNanotubeComposites:SynthesisandReactivity[J].EnvironmentalScience&Technology,2008,42(13):4952.

[6]AkhavanO,AzimiradR,SafaS,etal.Visiblelightphoto-inducedantibacterialactivityofCNT–dopedTiO2thinfilmswithvariousCNTcontents[J].JournalofMaterialsChemistry,2010,20(35):7386-7392.

[7]陈琦丽,唐超群,肖循.TiO_2纳米微粒的溶胶-凝胶法制备及XRD分析[J].材料科学与工程学报,2002,20(2):224-226.

[8]崔佳丽.新型碳基催化剂的制备以及在环境催化中的应用[D].太原理工大学,2014.

作者简介：马翾（1995年10月—），山西省运城市人，四川省成都市四川大学，专业为环境工程，学历为研究生。