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新型可见光催化剂!黑色空心二氧化钛(BHC-TiO2)纳米材料
文章来源:未知     点击数: 次     更新时间:2018-10-12 13:00

 俄罗斯人民友谊大学(RUDN)的化学家开发了一种新型光催化剂-以二氧化钛为原料的纳米结构。具有超薄壁的空心纳米棒具有纳米反应器的作用并在可见光的影响下,室温下提供28倍更有效的有机反应。关于这一进展的文章发表在《应用催化B:环境》“Catalysis B: Environmental ”(论文题目为《黑色空心TiO 2纳米立方体:用于高效可见光催化应用的先进纳米结构》) ("Black hollow TiO2 nanocubes: Advanced nanoarchitectures for efficient visible light photocatalytic applications")

BHC-TiO 2纳米结构在可见光下制备苯并咪唑衍生物时表现出优异的光催化性能。(图片:Allen Dressen)

 

用有机物质制造药物、化肥、农药、食品添加剂和其他有用产品的传统方法需要高压和高温条件。光催化是降低化学工业能耗的途径之一。光催化剂能够在不增加温度或压力的条件下,在光的影响下加速有机反应。

 

人们认为二氧化钛是一种潜在的催化剂。然而,它的催化活性只有在仅占阳光5%的紫外光中被激活。当纳米结构呈空心结构时,二氧化钛作为催化剂变得更加活跃。分子设计与合成医学创新化合物中心主任Rafael Luque与来自伊朗的同事们描述了一种具有高光催化活性的新型结构:由二氧化钛(BHC-TiO2)制成的黑色空心纳米管。

 

这种新型纳米结构的开发耗时近2年。科学创造了一种相对容易的方法来设计纳米结构。该程序由4个主要步骤组成。首先,化学家们准备了由赤铁矿制成的纳米晶体,并用二氧化钛覆盖它们。然后,用盐酸溶液洗掉立方体的内部,只留下薄薄的二氧化钛外壳。最后一个阶段是在氢气-氩气气氛中在550℃下进行烘烤.在此之后,样品变成了黑色的空心纳米粒子。整个过程大约需要2-3天。

 

药物创新化合物分子设计和合成中心主任Rafael Luque说:“我们的结构的主要优点是易于创建,耐用并可以用于不同的目的。BHC-TiO2可作为光催化剂,用于水净化加速污染物的分解和生物质转化。目前我们正在研究光催化剂在有机物生产中的应用。”

 

在一项涉及苯并咪唑合成的实验中,RUDN的研究人员检测了几种纳米立方体材料的催化活性,这些纳米材料是由二氧化钛、中空且烘焙的黑色空心BHC-TiO2组成。这种物质的衍生物在制药工业中有很高的需求。一些样品暴露在普通的卤化灯的可见光下,还有一些暴露在紫外线下。

 

BHC-TiO2颗粒在上述两种暴露条件下均表现出较高的催化活性。86%的初始物质是在可见光的影响下进行处理的,这是单片(非中空)二氧化钛立方体实验的28倍。化学家们认为这种新结构的活性是归功于其中空、大表面积和多孔的超薄壁。

 

所有这些特性使得纳米粒子作为纳米反应器工作,即反射光和散射光,容易吸收有机物,为立方体内部的有效反应创造一种介质。纳米粒子表面在烘烤过程中形成的Ti3 离子也起着重要作用。RUDN的科学家们认为它们促进电子转移,使整个结构吸收可见光(而不仅仅是像纯二氧化钛那样只吸收紫外光)。

 

实验证明了纳米反应器的高耐用性:即使在第六次使用之后,其结构仍保持其形态,并且几乎所有Ti3 离子都在其表面上。因此,BHC-TiO2可以用于进行至少7个有机反应而不损失任何催化活性。

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