催化材料的研究背景与意义

催化材料的研究背景与意义

随着工业的发展和技术的发展，大量有害污染物进入环境。近年来，各国关于污染物排放的法律法规越来越严格，因此，为了现代工业可持续发展，把环境中的污染物消除，已经成为当今社会的一个重要问题，也是重中之重的关键因素。研究和开发更高效的废水处理技术是不可避免的。在清除污染物的方法中，采用催化降解的方法是当前研究的热点话题。过渡金属硫化物由于其独特的物理化学性质已经在催化、锂离子电池和超电容等领域引起了广泛关注。硫化钴由于其独特的光电特性，具有多种化学计量比，如CoS、CoS2、Co3S4、Co9S8等，磁性能和电化学性能被广泛应用于各个领域。通过对Co9S8/Ni3S2的制备以及在污染物降解方面的应用进行研究，有利于Co9S8/Ni3S2在污染降解方面的应用，改善环境的污染现状。

1、催化材料的研究现状

催化材料有很多种，但是真正能被应用于工业化的却不是太多。由于催化材料在碱性条件下必须保持结构稳定、耐腐蚀性和较长的催化寿命。

（1）金属及合金材料

Ni是一种相对比较便宜的金属，并且Ni在碱性溶液中的耐腐蚀性比较高，而且它对析氧反应的催化效率要高于其他的金属元素。所以工业中常用Ni作为电解水的催化剂材料。除此之外，其他的一些金属如Co、Zr、Nb等也具有一定的催化效果从而引起了广泛关注。

与金属材料相比，掺杂材料通常具有较低的氧演化过电压。这样的例子有很多，比如Ni2Co合金，Co50Ni25Si15B10和Ni2Co2P合金等，因为它们能在表面形成高度活性的含NiCo2O4或者含有CoO (OH)的钴化合物，直到达到析氧电位，这显著提高了Ni电极的电催化活性。另外一个例子是镍铜合金，Cu的存在能够显著的提高Ni电极的催化活性。这都是由于合金材料发生析氧反应的时候表面的离子价态发生转变，所以就会有高化合价的中间产物产生，这些中间产物可以显著提高电极的催化活性。但是，长时间工作在高电位和强碱性环境下，在金属材料和合金材料的表面，都会形成一层金属氧化膜，增加其内阻，从而增加能耗。

（2）贵金属氧化物

贵金属氧化物作为碱性电解水的材料，是由一层具有电催化活性的金属氧化物涂层的钛基体组成。所述氧化物涂层具有低极化和低消耗率。贵金属氧化物在碱性电解水中具有优良的析氧性能。然而，它们自身也存在许多问题：（1）只有贵金属氧化物具有较低的催化放氧能力；（2）它容易被腐蚀；（3）贵金属氧化物在酸碱溶液中的催化特性无法与析氧反应在酸碱溶液中的效率保持一致；（4）贵金属氧化物作为析氧电极成本很高，会增加运营成本。

为解决上述问题，贵金属氧化物中可加入金属氧化物Ti、Zr、Ta和Nb，如ZrO2、IrO2等。加入后，材料的性能得到了明显的改善。具有焦绿石结构的氧化物A2（B2-xAx）O7-y（A=Pb，Bi；B=Ru，Ir），0

2、催化剂的制备方法

制备催化剂的方法通常包括金属盐的热分解、热喷雾分解、共沉淀、溶胶-凝胶和冷冻干燥。由于析氧催化剂主要是半导体，通常采用活性炭和粘结剂等导电剂将催化剂粘结在一起，以提高电极材料的导电性。首先，不同的制备工艺或条件得到的产物的催化性能一般是不同的，因此，寻找最优的制备方法也是电解水析氧反应中很重要的一部分工作内容。

（1）表面涂覆法

这种方法是制备催化剂最常用的方法之一，该方法才做简便，对设备要求低。其具体工艺如下：（1）用乙醇、水、Nafion溶液、异丙醇等合适的溶剂将所制备的催化剂充分分散形成具有一定浓度的悬浮液；（2）将上一步制备好的悬浮液涂在处理好的基体上，涂好后放在一定温度的烘箱中进行干燥或者直接在室温下晾干；（3）得到催化剂。该方法的主要问题是制备的催化剂机械稳定性差，镀层不均匀。并且在电解水过程中不断产生氧气气泡，可能会将催化剂膜顶破甚至直接导致其脱落，使催化剂无法维持原来的催化性能甚至丧失催化性能。

（2）电泳沉积法

电泳沉积法制备析氧催化剂是指将带点颗粒分散到溶液里，搅拌均匀后得到悬浮液，然后在电场的作用下，将带电颗粒沉积到预先处理过的基体上。然后进行电沉积。电沉积之后在氮气气氛炉中煅烧得到所需电极。

（3）合金氧化法

合金氧化法是指将制备的合金在马弗炉中进行高温氧化处理，多次重复得到温度时间等最优参数，直接生成所需的氧化物与基体结合力高，稳定性好，可降低接触电阻。但该方法工艺相对复杂，反应时间长。

（4）原位生长纳米催化剂

为了将纳米材料和基体结合起来，通常使用粘合剂，但这不可避免地增加了电阻，影响催化性能。原位生长电极是直接在集体上生长纳米材料，这样就可以不适用粘结剂，因此催化剂可以和基体直接接触从而降低电阻，同时催化剂也可以与电解液充分接触。

3、Co9S8研究现状

在工业上，硫化钴可作为加氢脱硫和芳香族氢钴硫化物的催化剂。由于锂的理论比储能能力，越来越多的研究将应用于锂离子电池。改善其电特性的结构和形态。黄铁矿CoS2在120K时具有铁磁性，Co3S4是一种尖晶石混合物，广泛应用于耐热高温材料和电子陶瓷材料中。Co9S8镍黄铁矿具有立方晶结构，用作磁性材料和加氢脱硫催化剂。根据相关材料表面了具有单元参数a＝9.865Å的Co9S8单元。相关材料显示了4个Co9S8原子和68个原子。硫化钴在电容器中也被作为一种理想的热电池正极材料。由于材料的导电性在电极的电化学电容特性中起着非常重要的作用，研究者们进行了许多研究以提高材料的导电性，例如将CoS与石墨烯复合来提高其导电性。硫化钴具有低电阻率、良好的化学稳定性和较高的热分解温度，是理想的热电池正极材料。上世纪90年代，美国诺斯罗普·格鲁曼公司发现了硫化钴材料，并将其用于加热电池。研究表明其具有较好的放电性能。又如，Co9S8 @ MoS2的核-壳结构可以显著改善MoS2析氢的催化特性，降低初始电位和过电压。同时又可以增强单相Co9S8的析氧催化活性加快了反应过程。

现如今，使用纳米多孔Co （NpCo）催化降解偶氮染料的报道还比较少。众所周知，化学反应速率与电子的转移成一定的比例，因此，多孔结构因其较高的比表面积而被广泛应用于催化降解。使用FenSizBaoNb6非晶条带制备的纳米多孔条带，比单纯的Fe基非晶降解DB 15偶氮染料的效率要高。用电化学置换法制备的中空Co纳米颗粒在甲基橙降解过程中表现出较快的催化性能，在几分钟内将甲基橙还原为胺类化合物。所以根据推测，纳米多孔结构的Co具有良好的催化