CeO2é un compoñente importante dos materiais de terras raras.Oelemento de terras raras cerioten unha estrutura electrónica exterior única - 4f15d16s2.A súa capa especial 4f pode almacenar e liberar electróns de forma eficaz, facendo que os ións de cerio se comporten no estado de valencia +3 e no estado de valencia +4.Polo tanto, os materiais CeO2 teñen máis buratos de osíxeno e teñen unha excelente capacidade para almacenar e liberar osíxeno.A conversión mutua de Ce (III) e Ce (IV) tamén dota aos materiais de CeO2 de capacidades catalíticas de oxidación-redución únicas.En comparación cos materiais a granel, o nano CeO2, como un novo tipo de material inorgánico, recibiu unha atención xeneralizada debido á súa gran superficie específica, a súa excelente capacidade de almacenamento e liberación de osíxeno, a condutividade dos ións de osíxeno, o rendemento redox e a difusión rápida de vacante de osíxeno a altas temperaturas. capacidade.Actualmente hai un gran número de informes de investigación e aplicacións relacionadas que utilizan nano CeO2 como catalizadores, portadores ou aditivos de catalizadores, compoñentes activos e adsorbentes.
1. Método de preparación do nanómetroóxido de cerio
Na actualidade, os métodos de preparación comúns para a nanoceria inclúen principalmente o método químico e o método físico.Segundo os diferentes métodos químicos, os métodos químicos pódense dividir en método de precipitación, método hidrotermal, método solvotérmico, método sol gel, método de microemulsión e método de electrodeposición;O método físico é principalmente o método de moenda.
1.1 Método de moenda
O método de moenda para preparar nanoceria xeralmente usa moenda de area, que ten as vantaxes de baixo custo, respetuoso do medio ambiente, velocidade de procesamento rápida e gran capacidade de procesamento.Actualmente é o método de procesamento máis importante na industria da nanoceria.Por exemplo, a preparación de nano óxido de cerio en po de pulido xeralmente adopta unha combinación de calcinación e moenda de area, e as materias primas dos catalizadores de desnitration a base de cerio tamén se mesturan para o tratamento previo ou se tratan despois da calcinación mediante moenda de area.Usando diferentes proporcións de granos de moenda de area de tamaño de partícula, pódese obter a nanoceria con D50 que varía de decenas a centos de nanómetros mediante o axuste.
1.2 Método de precipitación
O método de precipitación refírese ao método de preparación de po sólido mediante a precipitación, separación, lavado, secado e calcinación de materias primas disoltas en disolventes axeitados.O método de precipitación úsase amplamente na preparación de terras raras e nanomateriais dopados, con vantaxes como un proceso de preparación sinxelo, alta eficiencia e baixo custo.É un método de uso habitual para preparar a nanoceria e os seus materiais compostos na industria.Este método pode preparar nanoceria con diferente morfoloxía e tamaño de partícula cambiando a temperatura de precipitación, a concentración do material, o valor do pH, a velocidade de precipitación, a velocidade de axitación, o modelo, etc. Os métodos comúns dependen da precipitación de ións de cerio a partir do amoníaco xerado pola descomposición da urea, e a preparación de microesferas de nanoceria está controlada por ións citrato.Alternativamente, os ións de cerio pódense precipitar por OH xerado a partir da hidrólise do citrato de sodio, e logo incubados e calcinados para preparar escamas como microesferas de nanoceria.
1.3 Métodos hidrotermais e solvotérmicos
Estes dous métodos fan referencia ao método de preparación de produtos mediante reaccións a alta temperatura e alta presión a temperatura crítica nun sistema pechado.Cando o disolvente da reacción é auga, denomínase método hidrotermal.En consecuencia, cando o disolvente de reacción é un disolvente orgánico, denomínase método solvotérmico.As nanopartículas sintetizadas teñen partículas de gran pureza, boa dispersión e uniformes, especialmente os nanopos con diferentes morfoloxías ou caras de cristal especiais expostas.Disolver o cloruro de cerio en auga destilada, remover e engadir a solución de hidróxido de sodio.Reacciona hidrotermal a 170 ℃ durante 12 horas para preparar nanorods de óxido de cerio cos planos cristalinos (111) e (110) expostos.Axustando as condicións de reacción, pódese aumentar a proporción de (110) planos de cristal nos planos de cristal expostos, mellorando aínda máis a súa actividade catalítica.Axustar o disolvente de reacción e os ligandos de superficie tamén poden producir partículas de nanoceria con hidrofilia ou lipofilia especial.Por exemplo, a adición de ións acetato á fase acuosa pode preparar nanopartículas de óxido de cerio hidrofílico monodisperso en auga.Ao seleccionar un disolvente non polar e introducindo ácido oleico como ligando durante a reacción, pódense preparar nanopartículas de ceria lipófilas monodispersas en disolventes orgánicos non polares.(Ver figura 1)
Figura 1 Nanoceria esférica monodispersa e nanoceria en forma de vara
1.4 Método de sol gel
O método de sol gel é un método que utiliza algúns ou varios compostos como precursores, leva a cabo reaccións químicas como a hidrólise na fase líquida para formar sol, e despois forma xel despois do envellecemento e, finalmente, seca e calcina para preparar pos ultrafinos.Este método é particularmente adecuado para preparar nanomateriais compostos de nanoceria multicompoñente altamente dispersos, como ferro de cerio, cerio titanio, cerio circonio e outros nanoóxidos compostos, que foron informados en moitos informes.
1.5 Outros métodos
Ademais dos métodos anteriores, tamén hai métodos de micro loción, método de síntese de microondas, método de electrodeposición, método de combustión de chama de plasma, método de electrólise de membrana de intercambio iónico e moitos outros métodos.Estes métodos teñen gran importancia para a investigación e aplicación da nanoceria.
Aplicación de óxido de cerio de 2 nanómetros no tratamento de augas
O cerio é o elemento máis abundante entre os elementos de terras raras, con prezos baixos e amplas aplicacións.A ceria nanométrica e os seus compostos chamaron moito a atención no campo do tratamento de augas debido á súa elevada superficie específica, a súa elevada actividade catalítica e a súa excelente estabilidade estrutural.
2.1 Aplicación deNano óxido de cerioen Tratamento de Augas por Método de Adsorción
Nos últimos anos, co desenvolvemento de industrias como a electrónica, vertiuse unha gran cantidade de augas residuais que conteñen contaminantes como ións de metais pesados e ións de flúor.Incluso en concentracións de trazas, pode causar danos significativos aos organismos acuáticos e ao medio ambiente humano.Os métodos de uso común inclúen a oxidación, flotación, ósmose inversa, adsorción, nanofiltración, biosorción, etc. Entre eles, a tecnoloxía de adsorción adoita adoptarse debido ao seu funcionamento sinxelo, baixo custo e alta eficiencia de tratamento.Os materiais nano CeO2 teñen unha gran superficie específica e unha gran actividade superficial como adsorbentes, e houbo moitos informes sobre a síntese de nano CeO2 poroso e os seus materiais compostos con diferentes morfoloxías para adsorber e eliminar ións nocivos da auga.
A investigación demostrou que a nanoceria ten unha forte capacidade de adsorción de F - en auga en condicións débiles ácidas.Nunha solución cunha concentración inicial de F - de 100 mg/L e pH=5-6, a capacidade de adsorción de F - é de 23 mg/g e a taxa de eliminación de F - é do 85,6%.Despois de cargalo nunha bola de resina de ácido poliacrílico (cantidade de carga: 0,25 g/g), a capacidade de eliminación de F - pode alcanzar máis do 99% ao tratar un volume igual de 100 mg/L de F - solución acuosa;Ao procesar 120 veces o volume, pódese eliminar máis do 90% de F -.Cando se usa para adsorber fosfato e iodato, a capacidade de adsorción pode alcanzar máis de 100 mg/g no estado de adsorción óptimo correspondente.O material utilizado pódese reutilizar tras un simple tratamento de desorción e neutralización, que ten grandes beneficios económicos.
Existen moitos estudos sobre a adsorción e tratamento de metais pesados tóxicos como arsénico, cromo, cadmio e chumbo utilizando nanoceria e os seus materiais compostos.O pH de adsorción óptimo varía para os ións de metais pesados con diferentes estados de valencia.Por exemplo, a condición alcalina débil con sesgo neutro ten o mellor estado de adsorción para As (III), mentres que o estado de adsorción óptimo para As (V) conséguese en condicións de ácido débil, onde a capacidade de adsorción pode alcanzar máis de 110 mg/g en ambos. condicións.En xeral, a síntese optimizada de nanoceria e os seus materiais compostos pode acadar altas taxas de adsorción e eliminación de varios ións de metais pesados nun amplo rango de pH.
Por outra banda, os nanomateriais baseados en óxido de cerio tamén teñen un rendemento destacado na adsorción de substancias orgánicas nas augas residuais, como a laranxa ácida, a rodamina B, o vermello do Congo, etc. capacidade de adsorción na eliminación de colorantes orgánicos, especialmente na eliminación do vermello Congo, cunha capacidade de adsorción de 942,7 mg/g en 60 minutos.
2.2 Aplicación da nanoceria no proceso de oxidación avanzada
Proponse un proceso de oxidación avanzado (AOPs para abreviar) para mellorar o sistema de tratamento anhidro existente.O proceso de oxidación avanzado, tamén coñecido como tecnoloxía de oxidación profunda, caracterízase pola produción de radical hidroxilo (· OH), radical superóxido (· O2 -), osíxeno singlete, etc. cunha forte capacidade de oxidación.Baixo as condicións de reacción de alta temperatura e presión, electricidade, son, irradiación luminosa, catalizador, etc. Segundo as diferentes formas de xerar radicais libres e condicións de reacción, pódense dividir en oxidación fotoquímica, oxidación húmida catalítica, oxidación sonoquímica, ozono. oxidación, oxidación electroquímica, oxidación Fenton, etc. (ver Figura 2).
Figura 2 Clasificación e combinación tecnolóxica do proceso de oxidación avanzado
Nano ceriaé un catalizador heteroxéneo usado habitualmente no proceso de oxidación avanzado.Debido á rápida conversión entre Ce3+ e Ce4+ e ao rápido efecto de oxidación-redución provocado pola absorción e liberación de osíxeno, a nanoceria ten unha boa capacidade catalítica.Cando se usa como promotor de catalizador, tamén pode mellorar eficazmente a capacidade catalítica e a estabilidade.Cando a nanoceria e os seus materiais compostos se utilizan como catalizadores, as propiedades catalíticas varían moito coa morfoloxía, o tamaño das partículas e os planos cristalinos expostos, que son factores clave que afectan o seu rendemento e aplicación.En xeral, crese que canto máis pequenas sexan as partículas e maior sexa a área de superficie específica, maior será o sitio activo correspondente e máis forte será a capacidade catalítica.A capacidade catalítica da superficie de cristal exposta, de forte a débil, é da orde de (100) superficie de cristal>(110) superficie de cristal>(111) superficie de cristal, e a estabilidade correspondente é oposta.
O óxido de cerio é un material semicondutor.Cando o óxido de cerio nanométrico é irradiado por fotóns con enerxía superior ao intervalo de banda, os electróns da banda de valencia son excitados e prodúcese o comportamento de recombinación de transición.Este comportamento promoverá a taxa de conversión de Ce3+ e Ce4+, dando como resultado unha forte actividade fotocatalítica da nanoceria.A fotocatálise pode conseguir a degradación directa da materia orgánica sen contaminación secundaria, polo que a súa aplicación é a tecnoloxía máis estudada no campo da nanoceria en AOP.Na actualidade, o foco principal é o tratamento de degradación catalítica de colorantes azoicos, fenol, clorobenceno e augas residuais farmacéuticas utilizando catalizadores con diferentes morfoloxías e composicións compostas.Segundo o informe, baixo o método de síntese de catalizador optimizado e as condicións do modelo catalítico, a capacidade de degradación destas substancias pode alcanzar xeralmente máis do 80% e a capacidade de eliminación do carbono orgánico total (TOC) pode alcanzar máis do 40%.
A catálise de nanoóxido de cerio para a degradación de contaminantes orgánicos como o ozono e o peróxido de hidróxeno é outra tecnoloxía moi estudada.Similar á fotocatálise, tamén se centra na capacidade da nanoceria con diferentes morfoloxías ou planos cristalinos e diferentes oxidantes catalíticos compostos a base de cerio para oxidar e degradar contaminantes orgánicos.En tales reaccións, os catalizadores poden catalizar a xeración dunha gran cantidade de radicais activos a partir do ozono ou do peróxido de hidróxeno, que atacan os contaminantes orgánicos e logran capacidades de degradación oxidativa máis eficientes.Debido á introdución de oxidantes na reacción, a capacidade de eliminar compostos orgánicos é moi mellorada.Na maioría das reaccións, a taxa de eliminación final da substancia obxectivo pode alcanzar ou achegarse ao 100%, e a taxa de eliminación de TOC tamén é maior.
No método de oxidación avanzada electrocatalítica, as propiedades do material do ánodo con alto potencial de evolución de osíxeno determinan a selectividade do método de oxidación avanzada electrocatalítica para o tratamento de contaminantes orgánicos.O material do cátodo é un factor importante que determina a produción de H2O2, e a produción de H2O2 determina a eficiencia do método de oxidación avanzada electrocatalítica para o tratamento de contaminantes orgánicos.O estudo da modificación do material do electrodo mediante nanoceria recibiu unha ampla atención tanto a nivel nacional como internacional.Os investigadores introducen principalmente o nanoóxido de cerio e os seus materiais compostos a través de diferentes métodos químicos para modificar diferentes materiais de electrodos, mellorar a súa actividade electroquímica e, así, aumentar a actividade electrocatalítica e a taxa de eliminación final.
O microondas e os ultrasóns adoitan ser medidas auxiliares importantes para os modelos catalíticos anteriores.Tomando como exemplo a asistencia ultrasónica, utilizando ondas sonoras de vibración con frecuencias superiores a 25 kHz por segundo, xéranse millóns de burbullas extremadamente pequenas nunha solución formulada cun axente de limpeza especialmente deseñado.Estas pequenas burbullas, durante a rápida compresión e expansión, producen constantemente unha implosión de burbullas, o que permite que os materiais se intercambien e difundan rapidamente na superficie do catalizador, mellorando a miúdo exponencialmente a eficiencia catalítica.
3 Conclusión
A nanoceria e os seus materiais compostos poden tratar eficazmente ións e contaminantes orgánicos na auga, e teñen un importante potencial de aplicación en campos futuros de tratamento de auga.Non obstante, a maioría das investigacións aínda están en fase de laboratorio e, para lograr unha aplicación rápida no tratamento de augas no futuro, aínda hai que abordar con urxencia os seguintes problemas:
(1) O custo de preparación relativamente alto de nanoCeO2os materiais baseados seguen sendo un factor importante na gran maioría das súas aplicacións no tratamento de augas, que aínda están en fase de investigación de laboratorio.A exploración de métodos de preparación de baixo custo, sinxelos e eficaces que poidan regular a morfoloxía e o tamaño dos materiais baseados en nano CeO2 segue sendo un foco de investigación.
(2) Debido ao pequeno tamaño das partículas dos materiais baseados en nano CeO2, os problemas de reciclaxe e rexeneración despois do uso tamén son factores importantes que limitan a súa aplicación.O seu composto con materiais de resina ou materiais magnéticos será unha dirección clave de investigación para a súa tecnoloxía de preparación e reciclaxe de materiais.
(3) O desenvolvemento dun proceso conxunto entre a tecnoloxía de tratamento de auga con material baseado en nano CeO2 e a tecnoloxía tradicional de tratamento de augas residuais promoverá en gran medida a aplicación da tecnoloxía catalítica de materiais baseado en nano CeO2 no campo do tratamento de auga.
(4) Aínda hai investigación limitada sobre a toxicidade dos materiais baseados en nano CeO2, e aínda non se determinaron o seu comportamento ambiental e o seu mecanismo de toxicidade nos sistemas de tratamento de auga.O proceso real de tratamento de augas residuais a miúdo implica a coexistencia de múltiples contaminantes, e os contaminantes coexistentes interactuarán entre si, cambiando así as características da superficie e a potencial toxicidade dos nanomateriais.Polo tanto, urxe realizar máis investigacións sobre aspectos relacionados.
Hora de publicación: 22-maio-2023