金属有机骨架材料复合物制备高分散负载型纳米催化剂文献综述

 2021-10-13 19:58:45

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文 献 综 述

众所周知，时至今日，人类可持续发展面临着传统能源短缺，环境污染等多重危机，如何发展新能源，如何发展新理论新技术用于提高能源利用效率已经成为了人们日益关注的焦点。太阳能以其丰富的资源及清洁环保的特点，增长将快于其他任何可再生能源技术。然而不管太阳能以何种形式被利用都存在效率低下的问题，如何提高光利用效率是个迫切需要解决的问题。

TiO2由于具备合适的能带宽度，高化学稳定性，无毒无害等特点一直以来都被视为最理想的太阳能利用材料之一[1~10]。不仅应用在光伏，光催化，光致超亲水等领域，而且在日常生活也有很大的发展前景。尤其是在光催化领域，氧化钛的地位更是无可替代，用于水解产氢，污染物降解等，这在一定程度上缓解了能源环境的压力。但是TiO2光催化同样存在效率低下的问题，究其原因，一方面吸收波段窄，只能吸收5 %不到的太阳光；另一方面TiO2在光激发过程中，产生的光生电子和空穴极易复合，导致量子利用率大大降低 。针对这两方面问题，众多研究者提出了很多改进方法，包括掺杂，光敏化，复合改性，自身结构多样化等，其中包含了一些量子点担载和贵金属担载[11~15]等常用的并行之有效的方法，可见这样的氧化钛负载型纳米催化剂能有效地提高光能利用率

然而由于纳米活性组分粒子尺寸小，表面能高，纳米粒子在负载过程中本身即存在分散难的问题，反应过程中活性组分又极易团聚或者流失，从而导致TiO2负载型纳米催化剂催化性能稳定性差，催化剂回收利用效率低等问题。针对该问题，国内外学者已经展开了细致深入的研究，包括采用一些物理手段如机械研磨、超声等手段对活性组分或前驱体进行处理，阻止纳米颗粒的软团聚；通过化学手段如表面包覆，沉淀反应，微乳化等手段对活性组分进行表面改性，阻止活性组分的团聚。R. Behm等[16]将Au的前驱体担载在嵌段聚合物胶束后沉积在TiO2表面，制备出的Au/TiO2负载型纳米催化剂，活性组分相比于传统的物理蒸汽沉积手段，不仅分散度高且颗粒尺寸分布窄（15 nm)，其CO低温氧化活性得到了显著提高。此外还可通过制备一些具有特殊结构的TiO2，例如纳米TiO2用于提供高比表面积确保活性组分在TiO2表面的高度分散或者制备介孔TiO2提供一定的孔道结构来固定纳米颗粒。如Wei Chu等[17]通过阳极氧化法[18]制备了TiO2纳米管后再通过电化学沉积法担载了Ag纳米颗粒，纳米颗粒均匀分散在纳米管内、外侧，相比于传统的TiO2负载方法所获得的Ag纳米颗粒尺寸更均一，约为5nm，甲基橙光催化降解活性也显著的提高。朱银华[19]等人通过水合离子交换的方法制备了介孔TiO2，担载Au后进行CO低温氧化的研究，发现纳米Au尺寸和介孔尺寸的匹配有效的限制了活性组分在反应过程的团聚，催化活性相对于P25担Au材料提高了30℃。

现有TiO2负载技术、手段在一定程度上解决了活性组组分的分散和稳定性问题，但几乎没有一项技术能够同时满足上述全部要求，能够同时解决分散和稳定性的问题。同时，众所周知，催化活性与活性组分的尺寸密切相关，如Haruta[20]得出Au在2-5 nm时，催化活性最高。这就需要根据活性组分的变化进行载体的表面和受限结构的调控，以保证活性组分的活性和稳定性，现有技术都难以实现TiO2表面和结构的精确调控。

与此同时，金属有机骨架化合物（metal organic frameworks, MOFs），即为一类由金属离子或金属团簇与有机配体自组装形成的具有周期性结构的材料，近年来被广泛研究，其众多优异结构特点诸如比表面积大，高孔隙率及孔道结构可调等被应用在包括气体分离储存，催化传感，药物缓释等领域。本课题主要针对TiO2负载纳米催化剂制备和应用过程中存在的问题，结合这种新型纳微结构材料，以制备稳定高效的TiO2负载型纳米催化剂为目标，拟利用MOFs材料自身结构特点[21~22]解决TiO2负载型纳米催化剂分散难、稳定性差的问题，并基于实际性能考察，进行催化反应过程机理研究，以期为负载型纳米催化剂领域提供方法借鉴。

参考文献

[1] Kawai T, Sakata T. Conversion of carbohydrate into hydrogen fuel by a photocatalytic process [J]. Nature. 1980, 286(5772): 474-476.

[2] Wang R, Hashimoto K, Fujishima A, et al. Light-induced amphiphilic surfaces [J]. Nature. 1997, 388(6641):431-432.

[3] Gratzel M. Photoelectrochemical cells [J]. Nature. 2001, 414(6861):338-344.

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