一種極具應(yīng)用前景的功能材料：催化紙的制備

催化紙由于其獨(dú)特的多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將成為一種極具應(yīng)用前景的功能材料。催化紙分為T(mén)iO2基催化紙、ZnO基催化紙、貴金屬基催化紙三大類，本文綜述了催化材料的修飾改性及其固著方式對(duì)催化性能的影響，提出了獲得高催化性能和高強(qiáng)度催化紙需要解決的問(wèn)題。

催化紙是以纖維或紙狀結(jié)構(gòu)材料為載體，通過(guò)濕部添加、涂布、浸漬或預(yù)先負(fù)載等方式，將具有催化特性的材料固著于纖維上而形成的復(fù)合材料。催化紙充分利用了紙張獨(dú)特的多孔三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)槲廴疚锝到馓峁└�大的接觸面積，從而有效克服了以陶瓷和玻璃等基材等固定催化劑催化活性大幅度降低的缺點(diǎn)；同時(shí)紙質(zhì)材料質(zhì)量輕易折疊，將成為一種極具應(yīng)用前景的功能材料。目前，在催化紙中應(yīng)用的催化材料主要有納米TiO2及修飾改性的納米TiO2、ZnO納米顆粒、貴金屬納米顆粒三大類。

以納米TiO2及改性納米TiO2為催化材料的催化紙

1.1 TiO2基催化紙

含TiO2的催化紙，在弱熒光燈下可對(duì)乙醛氣體進(jìn)行光催化降解。為避免光催化反應(yīng)的無(wú)選擇性造成纖維素等有機(jī)物的降解，將陶瓷纖維添加到漿料中作為T(mén)iO2載體，經(jīng)240h光催化反應(yīng)，催化紙的相對(duì)抗張強(qiáng)度幾乎不變。為進(jìn)一步提高TiO2基催化紙的催化性能，在TiO2混晶中，可用金紅石相TiO2較小的禁帶寬度提高銳鈦礦型TiO2電子和空穴的分離效率，降低電子-空穴的復(fù)合率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)銳鈦礦型和金紅石型配比為52:48時(shí)，催化紙的催化性能最佳。

1.2 Ag-TiO2基催化紙

使用Ag、Au、Pt等貴金屬對(duì)TiO2進(jìn)行摻雜處理，可對(duì)光生電子產(chǎn)生較強(qiáng)的吸引力，有利于光生電子向TiO2表面遷移，有效阻止電子和空穴的復(fù)合，從而提高改性TiO2的催化性能。

1.3 以聚合物- TiO2復(fù)合材料為催化材料的催化紙

具有共扼分子結(jié)構(gòu)的聚合物是強(qiáng)的電子體和優(yōu)良的空穴傳輸材料，采用能與氧的Pπ軌道形成有效相互作用的共扼分子與納米TiO2進(jìn)行復(fù)合，不僅可將復(fù)合材料的光譜響應(yīng)范圍拓寬到可見(jiàn)光區(qū)域，還可提高光生電荷的分離效率，從而提高TiO2的催化效率。

1.4 ZnO- TiO2基催化紙

TiO2與其他不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料(如ZnO)復(fù)合，利用其互補(bǔ)性質(zhì)增強(qiáng)電荷分離，抑制光生電子與空穴的復(fù)合，顯示出更高的催化活性和穩(wěn)定性。

以納米ZnO及改性納米ZnO為催化材料的催化紙

2.1 ZnO基催化紙

ZnO具有優(yōu)良的電學(xué)、光學(xué)和化學(xué)性質(zhì)，是一種應(yīng)用廣泛的半導(dǎo)體材料，其禁帶寬度為3.15-3.35Ev,以ZnO為催化材料的催化紙多用于催化有機(jī)反應(yīng)、抗菌等方面。

2.2 貴金屬改性的ZnO基催化紙

為拓展ZnO納米顆粒的光譜響應(yīng)范圍，提高載流子與電子的分離效率，ZnO與Au、Cu、Ag等金屬的復(fù)合，且以聚酰胺環(huán)氧氯丙烷(PAE)作為濕強(qiáng)劑抄造的催化紙，完全滿足水相中使用的強(qiáng)度要求。經(jīng)5次循環(huán)使用后其催化活性未下降。

貴金屬基催化紙

3.1 納米銀紙

納米銀顆粒(AgNPs)具有廣泛的抗菌性，可通過(guò)與細(xì)菌蛋白質(zhì)的巰基發(fā)生反應(yīng)，破壞其結(jié)構(gòu)，并產(chǎn)生活性氧簇(ROS)，損傷細(xì)菌DNA，達(dá)到抗菌效果。AgNPs可直接沉積在纖維上或在纖維上通過(guò)化學(xué)反應(yīng)原位合成AgNPs，納米銀紙?jiān)谔峁�無(wú)菌環(huán)境、抗菌食品包裝方面得到了廣泛應(yīng)用。

3.2 納米鉑催化紙

鉑(Pt)催化劑由于其高效的氧化和還原作用，在催化和電催化領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。在表面活化的碳纖維上，通過(guò)原位合成法負(fù)載Pt納米粒子(PtNPs)，TEM分析顯示粒徑小于10nm的PtNPs均勻分布在活化后的碳纖維表面，通過(guò)抄紙過(guò)程制備出納米Pt催化紙。該催化紙可提高甲烷和NOx的轉(zhuǎn)化率，并降低了反應(yīng)響應(yīng)溫度。

3.3 納米金催化紙

納米金顆粒(AuNPs)對(duì)紫外和可見(jiàn)光有較好的吸收作用，在其表面產(chǎn)生等離子體共振效應(yīng)，使納米離子迅速升溫，超過(guò)能壘促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生，AuNPs可在溫和條件下活化反應(yīng)分子，成為新型催化劑。

3.4 其他金屬催化紙

納米鈀催化劑(PdNPs)在酸性條件下的氧還原反應(yīng)中顯示出與PtNPs相似的催化活性，將PdNPs直接通過(guò)化學(xué)沉積負(fù)載在多孔碳紙上，其與商品PtNPs催化劑相比具有更高的電催化活性�；瘜W(xué)沉積法可避免燒結(jié)過(guò)程，沉積過(guò)程受電解質(zhì)擴(kuò)散過(guò)程控制，與其他沉積方法相比，化學(xué)沉積法更為簡(jiǎn)單，且易于大規(guī)�；�，對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)低價(jià)電極具有較大吸引力。

發(fā)展展望

為使催化紙實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行更深入的研究。

a、有效控制負(fù)載于纖維上的催化材料微觀結(jié)構(gòu)或結(jié)晶相組成，使其處于性能最佳的狀態(tài)，從微觀角度探討催化紙中活性中心的作用機(jī)理及其穩(wěn)定性的影響機(jī)制；

b、自由基反應(yīng)不可避免地會(huì)造成纖維損傷，如何在提高催化材料在纖維上的負(fù)載量和保證纖維強(qiáng)度兩個(gè)方面獲得一個(gè)最佳結(jié)合，制備高強(qiáng)度和高催化活性的催化紙。

責(zé)任編輯：葛