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<x<1，0<y<0.5，在2000A•m-2以下的电解水中具有良好的析氧性能，使用寿命可达1000小时。

反应200小时后，析氧过电压仅增加50mv。

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
降解偶氮染料的前景。

4、水污染治理的方法
在过去的几十年里，随着科技和工业化的不断发展，同时，环境污染问题也变得越来越严重，主要包括水污染、大气污染和土壤污染，特别是人们的水污染。

生命的健康是一个巨大的威胁。

根据卫生部的统计，这些水含有2000多种有机污染物，以及709种饮用水，其中包括109种致癌物质，如苯和甲醛。

一旦这些污染物进入人体，就会引起急性或慢性中毒。

水是生命之源，是生物赖以生存的物质基础，是人类进步和发展的必要支撑。

水污染问题不仅关系到当前的生态环境，而且直接影响到人类社会的未来。

为了减少水污染对人类健康的危害，人们尝试了各种方法来对抗水污染，主要是物理方法、化学方法和微生物方法。

（1）物理法
物理方法主要包括气提、吸附和萃取。

其中，气体解吸法是通过共沸蒸馏从溶剂中分离挥发性有机化合物。

该方法主要用于高浓度有机废水的处理，但去除污染物效果不理想。

该吸附方法利用多孔吸附剂将污染物吸附在吸附剂表面，从而达到分离效果。

但是加工成本高，不能广泛应用于实际生产过程中。

萃取方法是通过选择合适的有机溶剂，利用有机物质在不同溶剂中溶解度的差异，达到分离纯化的效果。

然而，由于有机物质在两种溶剂之间的分布系数，分离不完全。

此外，广泛使用萃取剂还会造成二次环境污染。

因此，提取方法的范围是有限的。

（2）生物法
目前，生物法被广泛应用于废水中有机物的分解。

主要方法有活性污泥法、生物膜法、厌氧消化法、生物氧化法等。

当微生物在各种酶的作用下作用于水中时，水中的有机污染物由于微生物的代谢作用而被氧化分解，使废水达到排放标准。

该方法可用于处理各种物质，包括五氯酚、汽油、燃料油、氯化烃等。

生物法的优点主要是工艺简单、能耗低、使用广泛，但同时对废水的pH值、污染物浓度、污染物种类等也提出了更高的要求。

如果pH值低或高，污染物的初始浓度高，就会影响微生物的代谢，甚至杀死微生物。

因此，生物法的适用范围是有限的。

（3）化学法
化学法主要是消除水污染，用强氧化剂与水中的有机污染物反应，氧化有机
物。

目前用于化学氧化的强氧化剂主要有O3、Cl2等。

在化学方法中，先进氧化法(advanced oxidation processes, AOP)是近年来非常流行的一种处理方法。

该方法利用光、电、微波等技术，在溶液中产生大量强氧化性自由基，并分解水中由自由基产生的有机化合物，具有反应速度快、应用范围广、二次污染小等特点。

近年来，硫化钴材料，包括Co1-xS、Co3S4等，由于产量和储存丰富，在氧还原反应(ORR)中得到了广泛的应用。

然而，从来没有报道过Co9S8 / Ni3S2用于催化析氧反应，由于Co9S8 / Ni3S2具有较高的催化活性，耐腐蚀性强，且在碱性环境中贮存量大，是该领域的研究课题。

在这里，泡沫镍(NF)由于其三维网状结构，可以作为催化剂生长的基质。

此外，泡沫镍具有表面积大、导电性好、成本低、镍储量丰富等优点。

然而，在以前的文献中，催化剂的合成通常涉及多个步骤，非常困难的。