CeO2е важна компонента на материјалите од ретки земји.Наелемент на ретка земја цериумима единствена надворешна електронска структура - 4f15d16s2.Неговиот специјален слој 4f може ефективно да складира и ослободува електрони, со што јоните на цериум се однесуваат во +3 валентна и +4 валентна состојба.Затоа, материјалите CeO2 имаат повеќе отвори за кислород и имаат одлична способност да складираат и ослободуваат кислород.Взаемната конверзија на Ce (III) и Ce (IV), исто така, им дава на материјалите на CeO2 со уникатни каталитички способности за намалување на оксидацијата.Во споредба со рефус материјали, нано CeO2, како нов тип на неоргански материјал, доби широко распространето внимание поради неговата висока специфична површина, одличната способност за складирање и ослободување кислород, спроводливоста на кислородни јони, редокс перформансите и брзата дифузија на празни места на кислород со висока температура. способност.Во моментов има голем број на истражувачки извештаи и сродни апликации кои користат нано CeO2 како катализатори, носачи или адитиви на катализатори, активни компоненти и адсорбенти.
1. Начин на подготовка на нанометарцериум оксид
Во моментов, вообичаените методи за подготовка на нано церија главно вклучуваат хемиски метод и физички метод.Според различни хемиски методи, хемиските методи може да се поделат на метод на таложење, хидротермална метода, солвотермална метода, метод на сол гел, метод на микроемулзија и метод на електродепозиција;Физичкиот метод е главно метод на мелење.
1.1 Метод на мелење
Методот на мелење за подготовка на нано церија обично користи мелење со песок, што ги има предностите на ниската цена, еколошката пријатност, брзата брзина на обработка и силната способност за обработка.Во моментов тоа е најважниот метод на обработка во индустријата за нано церија.На пример, подготовката на прашокот за полирање нано цериум оксид генерално усвојува комбинација од калцинирање и мелење со песок, а суровините од денитрационите катализатори базирани на цериум исто така се мешаат за предтретман или се третираат по калцинирањето со мелење со песок.Со користење на различни соодноси на мелење на песок со големина на честички, нано цериите со D50 кои се движат од десетици до стотици нанометри може да се добијат преку прилагодување.
1.2 Метод на врнежи
Методот на таложење се однесува на методот на подготовка на цврст прав со таложење, одвојување, перење, сушење и калцинирање на суровините растворени во соодветни растворувачи.Методот на врнежи е широко користен во подготовката на ретки земјини и допирани наноматеријали, со предности како што се едноставниот процес на подготовка, високата ефикасност и ниската цена.Тоа е најчесто користен метод за подготовка на нано церија и неговите композитни материјали во индустријата.Овој метод може да подготви нано церија со различна морфологија и големина на честички со промена на температурата на врнежите, концентрацијата на материјалот, pH вредноста, брзината на врнежите, брзината на мешање, шаблонот итн. Вообичаените методи се потпираат на таложење на јони на цериум од амонијак генериран со распаѓање на уреата. а подготовката на нано цериските микросфери се контролира со јони на цитрат.Алтернативно, јоните на цериум може да се преципитираат со OH - генериран од хидролиза на натриум цитрат, а потоа да се инкубираат и калцинираат за да се подготват микросфери како нано цериум.
1.3 Хидротермални и солвотермални методи
Овие два методи се однесуваат на методот на подготовка на производи со реакција на висока температура и висок притисок на критична температура во затворен систем.Кога реакциониот растворувач е вода, тоа се нарекува хидротермална метода.Соодветно, кога реакциониот растворувач е органски растворувач, тој се нарекува солвотермички метод.Синтетизираните нано честички имаат висока чистота, добра дисперзија и униформни честички, особено нано прав со различна морфологија или изложени специјални кристални лица.Растворете цериум хлорид во дестилирана вода, промешајте и додадете раствор на натриум хидроксид.Реагирајте хидротермално на 170 ℃ 12 часа за да се подготват нанопрачки од цериум оксид со изложени (111) и (110) кристални рамнини.Со прилагодување на условите на реакцијата, процентот на (110) кристални рамнини во изложените кристални рамнини може да се зголеми, што дополнително ја подобрува нивната каталитичка активност.Прилагодувањето на реакциониот растворувач и површинските лиганди, исто така, може да произведе нано честички од церија со посебна хидрофилност или липофилност.На пример, додавањето на ацетатни јони во водната фаза може да подготви монодисперзни наночестички хидрофилни цериум оксид во вода.Со избирање на неполарен растворувач и воведување на олеинска киселина како лиганд за време на реакцијата, монодисперзните липофилни наночестички на церија може да се подготват во неполарни органски растворувачи.(Види Слика 1)
Слика 1 Монодисперзирана сферична нано церија и нано церија во облик на прачка
1.4 Метод на сол гел
Методот на сол гел е метод кој користи некои или неколку соединенија како прекурсори, спроведува хемиски реакции како хидролиза во течна фаза за да се формира сол, а потоа формира гел по стареењето и на крајот се суши и калцинира за да се подготват ултрафини прашоци.Овој метод е особено погоден за подготовка на високо дисперзирани повеќекомпонентни нано-цериски композитни наноматеријали, како што се цериум железо, цериум титаниум, цериум циркониум и други композитни нано оксиди, кои се пријавени во многу извештаи.
1.5 Други методи
Покрај горенаведените методи, постојат и метод на микро лосион, метод на синтеза на микробранови, метод на електродепозиција, метод на согорување на плазма пламен, метод на електролиза на мембрана со јонска размена и многу други методи.Овие методи имаат големо значење за истражување и примена на нано церија.
Примена на 2-нанометарски цериум оксид во третман на вода
Цериумот е најзастапениот елемент меѓу ретките елементи, со ниски цени и широка примена.Нанометарскиот церија и неговите композити привлекоа големо внимание во областа на третман на вода поради нивната висока специфична површина, високата каталитичка активност и одличната структурна стабилност.
2.1 Примена наНано цериум оксидво третман на вода со метод на адсорпција
Во последниве години, со развојот на индустриите како што е електронската индустрија, се испуштаат големо количество отпадни води кои содржат загадувачи како што се јони на тешки метали и јони на флуор.Дури и при концентрации во трагови, може да предизвика значителна штета на водните организми и животната средина на човекот.Најчесто користените методи вклучуваат оксидација, флотација, обратна осмоза, адсорпција, нанофилтрација, биосорбција итн.Нано CeO2 материјалите имаат висока специфична површина и висока површинска активност како адсорбенти, а има многу извештаи за синтеза на порозни нано CeO2 и неговите композитни материјали со различни морфологии за адсорпција и отстранување на штетните јони од водата.
Истражувањата покажаа дека наноцеријата има силен капацитет за адсорпција на F - во вода при слаби кисели услови.Во раствор со почетна концентрација на F - од 100mg/L и pH=5-6, капацитетот на адсорпција за F - е 23mg/g, а стапката на отстранување на F - е 85,6%.Откако ќе се стави на топка од смола од полиакрилна киселина (количина на полнење: 0,25 g/g), способноста за отстранување на F - може да достигне над 99% кога се третира еднаков волумен од 100 mg/L F - воден раствор;Кога се обработува 120 пати поголем волумен, може да се отстрани повеќе од 90% од F -.Кога се користи за адсорпција на фосфат и јодат, капацитетот на адсорпција може да достигне над 100 mg/g под соодветната оптимална состојба на адсорпција.Искористениот материјал може повторно да се употреби по едноставен третман за десорпција и неутрализација, што има високи економски придобивки.
Постојат многу студии за адсорпција и третман на токсични тешки метали како што се арсен, хром, кадмиум и олово користејќи нано церија и неговите композитни материјали.Оптималната pH на адсорпција варира за јони на тешки метали со различни валентни состојби.На пример, слабата алкална состојба со неутрална пристрасност има најдобра состојба на адсорпција за As (III), додека оптималната состојба на адсорпција за As (V) се постигнува при слаби кисели услови, каде што капацитетот на адсорпција може да достигне над 110 mg/g при обете Услови.Севкупно, оптимизираната синтеза на нано церија и нејзините композитни материјали може да постигне високи стапки на адсорпција и отстранување за различни јони на тешки метали во широк опсег на pH.
Од друга страна, наноматеријалите базирани на цериум оксид, исто така, имаат извонредни перформанси во адсорбирање на органски материи во отпадните води, како што се кисела портокалова, родамин Б, црвена боја на Конго итн. На пример, во постоечките пријавени случаи, нано цериските порозни сфери подготвени со електрохемиски методи имаат висока Капацитет на адсорпција при отстранување на органски бои, особено при отстранување на црвеното Конго, со капацитет на адсорпција од 942,7 mg/g за 60 минути.
2.2 Примена на нано церија во напреден процес на оксидација
Се предлага напреден процес на оксидација (накратко AOPs) за да се подобри постоечкиот систем за третман на безводен третман.Напредниот процес на оксидација, познат и како технологија на длабока оксидација, се карактеризира со производство на хидроксилен радикал (· OH), радикал супероксид (· O2 -), единечен кислород итн. со силна способност за оксидација.Во услови на реакција на висока температура и притисок, електрична енергија, звук, светлосно зрачење, катализатор итн. Според различните начини на генерирање слободни радикали и условите на реакција, тие можат да се поделат на фотохемиска оксидација, каталитичка влажна оксидација, сонохемиска оксидација, озон оксидација, електрохемиска оксидација, фентон оксидација итн. (види слика 2).
Слика 2 Класификација и технолошка комбинација на напреден процес на оксидација
Нано церијае хетероген катализатор кој најчесто се користи во напредниот процес на оксидација.Поради брзата конверзија помеѓу Ce3+ и Ce4+ и брзиот ефект на намалување на оксидацијата предизвикан од апсорпцијата и ослободувањето на кислородот, наноцеријата има добра каталитичка способност.Кога се користи како промотор на катализатор, може ефикасно да ја подобри каталитичката способност и стабилност.Кога нано церијата и нејзините композитни материјали се користат како катализатори, каталитичките својства многу варираат во зависност од морфологијата, големината на честичките и изложените кристални рамнини, кои се клучни фактори кои влијаат на нивната изведба и примена.Општо се верува дека колку се помали честичките и колку е поголема специфичната површина, толку повеќе одговара активното место и толку е посилна каталитичката способност.Каталитичката способност на изложената кристална површина, од силна до слаба, е од редот на (100) кристална површина>(110) кристална површина>(111) кристална површина, а соодветната стабилност е спротивна.
Цериум оксидот е полупроводнички материјал.Кога нанометарскиот цериум оксид е озрачен од фотони со енергија поголема од јазот на опсегот, електроните на валентниот опсег се возбудуваат и се јавува однесување на рекомбинација на транзиција.Ваквото однесување ќе ја промовира стапката на конверзија на Ce3+ и Ce4+, што ќе резултира со силна фотокаталитичка активност на наноцерија.Фотокатализата може да постигне директна деградација на органската материја без секундарно загадување, така што нејзината примена е најпроучена технологија во областа на нано церија во AOPs.Во моментов, главниот фокус е на третман на каталитичка деградација на азо бои, фенол, хлоробензен и фармацевтски отпадни води со користење на катализатори со различна морфологија и композитни состави.Според извештајот, под оптимизиран метод на синтеза на катализатор и услови на каталитички модел, капацитетот на разградување на овие супстанции генерално може да достигне повеќе од 80%, а капацитетот за отстранување на вкупниот органски јаглерод (TOC) може да достигне повеќе од 40%.
Катализа на нано цериум оксид за разградување на органски загадувачи како што се озон и водород пероксид е уште една широко проучена технологија.Слично на фотокатализата, таа исто така се фокусира на способноста на нано цериите со различни морфологии или кристални рамнини и различни композитни каталитички оксиданти базирани на цериум да оксидираат и разградуваат органски загадувачи.Во таквите реакции, катализаторите можат да го катализираат создавањето на голем број активни радикали од озон или водороден пероксид, кои ги напаѓаат органските загадувачи и постигнуваат поефикасни способности за оксидативна деградација.Поради воведувањето на оксиданти во реакцијата, способноста за отстранување на органските соединенија е значително зголемена.Во повеќето реакции, конечната стапка на отстранување на целната супстанција може да достигне или да се приближи до 100%, а стапката на отстранување на TOC е исто така повисока.
Во методот на напредна електрокаталитичка оксидација, својствата на анодниот материјал со висока еволуција на кислородот со прекумерен потенцијал ја одредуваат селективноста на методот на напредна електрокаталитичка оксидација за третирање на органски загадувачи.Катодниот материјал е важен фактор што го одредува производството на H2O2, а производството на H2O2 ја одредува ефикасноста на електрокаталитичкиот напреден метод на оксидација за третирање на органски загадувачи.Студијата за модификација на материјалот на електродата со користење на нано церија доби широко распространето внимание и на домашно и на меѓународно ниво.Истражувачите главно воведуваат нано цериум оксид и неговите композитни материјали преку различни хемиски методи за модификација на различни електродни материјали, подобрување на нивната електрохемиска активност и со тоа зголемување на електрокаталитичката активност и стапката на конечно отстранување.
Микробрановите и ултразвукот често се важни помошни мерки за горенаведените каталитички модели.Земајќи ја ултразвучната помош како пример, користејќи вибрациони звучни бранови со фреквенции повисоки од 25 kHz во секунда, милиони екстремно мали меурчиња се генерираат во раствор формулиран со специјално дизајнирано средство за чистење.Овие мали меурчиња, за време на брзото компресија и проширување, постојано произведуваат имплозија на меурчиња, овозможувајќи им на материјалите брзо да се разменуваат и дифузираат на површината на катализаторот, честопати експоненцијално ја подобруваат каталитичката ефикасност.
3 Заклучок
Нано церијата и нејзините композитни материјали можат ефикасно да третираат јони и органски загадувачи во водата и да имаат важен потенцијал за примена во идните полиња за третман на вода.Сепак, повеќето истражувања се уште се во лабораториска фаза, а со цел да се постигне брза примена во третманот на водата во иднина, следните прашања сè уште треба итно да се решат:
(1) Релативно високата цена за подготовка на наноCeO2врз основа на материјали останува важен фактор во огромното мнозинство на нивните апликации во третман на вода, кои се уште се во фаза на лабораториско истражување.Истражувањето на евтините, едноставни и ефективни методи за подготовка кои можат да ја регулираат морфологијата и големината на материјалите базирани на нано CeO2 сè уште е во фокусот на истражувањето.
(2) Поради малата големина на честички на материјалите базирани на нано CeO2, проблемите со рециклирање и регенерација по употреба се исто така важни фактори кои ја ограничуваат нивната примена.Композитот од него со смолести материјали или магнетни материјали ќе биде клучна насока за истражување за неговата технологија за подготовка и рециклирање на материјали.
(3) Развојот на заеднички процес помеѓу технологијата за третман на вода за материјали базирани на нано CeO2 и традиционалната технологија за третман на отпадни води во голема мера ќе ја промовира примената на каталитичката технологија на материјали базирана на нано CeO2 во областа на третман на вода.
(4) Сè уште има ограничени истражувања за токсичноста на материјалите базирани на нано CeO2, а нивното однесување кон животната средина и механизмот на токсичност во системите за третман на вода сè уште не се утврдени.Вистинскиот процес на третман на отпадни води често вклучува коегзистенција на повеќе загадувачи, а коегзистирачките загадувачи ќе комуницираат едни со други, а со тоа ќе ги променат површинските карактеристики и потенцијалната токсичност на наноматеријалите.Затоа, постои итна потреба да се спроведат повеќе истражувања за поврзаните аспекти.
Време на објавување: мај-22-2023 година