DOC《文献综述》

文献综述 Bi2S3的制备和表征 n070804213宋鑫铭

0 前言: 诺贝尔奖获得者Feyneman曾经预言:如果对物体微小规模上的排列加以某种控制,就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化.

他所说的材料就是纳米材料.1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siege相继成功制得纯物质的纳米细粉,使纳米材料进入了一个新的阶段[1].1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志纳米科学技术的正式诞生,1991年,碳纳米管被发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的十倍,成为纳米技术的研究热点.它将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等.1993年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团 写 下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出 IBM 之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子写出 中国 二字,标志我国在纳米科技领域占有一席之地.1997年美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用该技术可望研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机.到1999年,纳米技术逐渐走向市场,全年纳米产品的营业额达到500亿美元,其中A12O3, SiO2,Fe2O3等氧化物产品占有绝大部分份额.但是随着纳米材料研究的发展,纳米ZnS,CdS,Bi2S3等半导体粉末因具有优异的热红外透明性、荧光、磷光和光电催化活性,在新型传感器、高分辨显示器和其它电子材料等方面具有诱人的应用前景,逐渐成为纳米材料研究的新热点. 与传统晶体材料相比,纳米材料具有高强度、高扩散性、高塑性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能[2].这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域[3].

1 光催化纳米材料的应用: 1.1 在催化方面的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度.大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而且对环境也造成污染.纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件.纳米粒于作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行.纳米微粒作催化剂比一般催化剂反应速度提高10~15倍[4].纳米粒子表面积大、表面活性中心多,为催化剂提供了必要条件.目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂.如用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂,燃烧效率提高100倍;

以粒度小于100nm的镍和铜-锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂,可使有机物的氢化率达到传统镍催化剂的10倍;

用纳米TiO2制成光、催化剂具有很强的氧化还原能力,可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物. 1.2 在环保方面的应用 纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用.主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;

减少水资深消耗;

减少废物的产生;

治理环境污染物及大气污染. 1.2.1 在污水治理方面 污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等.传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解决这一问题.纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关.除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室进入实用阶段[5].利用纳米TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻璃表面涂覆纳米TiO2可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能.它的出现使玻璃具有了自纳米净水剂的超强吸附和絮凝能力将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,然后使水通过由纳米磁性物质、纤维和活性炭组成的净化装置,除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物,再使水通过由纳米孔径的水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装成的过滤装置,可以将水中的细菌、病毒几乎100%去除,得到完全可以饮用的高质量纯净水. 1.2.2 在大气污染的治理方面. 大气污染一直是各国政府需要解决的难题.纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径.工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源.纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂,经它催化的石油中硫的含量达到国际标准.煤燃烧也会产生二氧化硫气体,如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂,不仅可以使煤充分燃烧,而且会使硫转化成固体的硫化物,而不产生二氧化硫气体.复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的.它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题.新装修房间的空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,目前已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有些是致癌物.研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%.以55~70nm的CoTiO3负载到多孔硅胶或Al2O3陶瓷载体上制成的石油脱硫催化剂可用于炼油脱硫工艺,催化效率很高,催化后石油中硫的含量可小于0.01%[6]. 1.2.3 城市固体垃圾处理方面的应用 将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个方面:一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物, 成为再生原料回收;

另一方面,可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力. 1.3 在解决能源中的应用 合理利用传统能源和开发新能源是一项长期和重要的任务.近年来开发的可用于煤和油料燃烧的纳米净化剂、助燃剂以及利用纳米技术提取粉煤灰中的有用物质的工作都已获得初步结果,并可望尽快得到产业化[7].在纳米半导体材料表面负载贵金属、金属氧化物或在半导体表面修饰染料、导电高聚物等能使光分解水的效率成倍增加,将对太阳能的光化学存贮起巨大的推动作用.利用半导体纳米材料制备光电转化效率极高,即使在阴雨天也能正常工作, 使新型太阳能电池取得重大进展.大量研究表明,除了纳米晶T iO2光伏电池外, 其它如ZnO、Ag2O、SnO

2、WO

3、Fe2O3 等单一氧化物和CdSe等单一硒化物纳米晶光伏电池也表现出非常出色的光电转换特征. 2光催化基本原理 光催化反应是在光照射的条件下,物质之间发生一定的作用,是光反应和催化反应的融合,是纳米半导体材料在光的照射下,将光能转化为化学能,促进化合物的合成或者使化合物(有机物、无机物)降解,这个过程被称为光催化[8,9]. 光催化材料又称光触媒,是由光(Photo)与触媒(catalyst)组成的合成词,英文名字为Photocatalyst.光催化材料是一种在光的照射下,自身不起变化,却可以促使与之接触的物质发生化学反应的物质.它将自然界存在的光能转换为化学反应所需的能量来进行催化作用,使吸附于自身的氧气以及水分子激发成具有极强氧化性的自由基,这些自由基几乎可降解所有对人体和环境有害的有机物质及部分无机物质,不会造成资源浪费与附加污染.由于是借助光的力量促进氧化分解反应,因此后来人们将这类材料称作光触媒. 光催化材料在光激发下,其内部电子从价带跃迁到导带位置,从而在导带形成光生电子,在价带形成光生空穴.而光生电子-空穴对的还原氧化性能可以降解周围环境中的有机污染物以及光解水制备H2和O2.所以,光催化材料要实现上述目的一般要满足以下几个条件:首先,具有适当........