摘 要 材料、能源和信息是构成人类现代社会发展的三大支柱，其中纳米材料作为一种新型的功能材料，具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等纳米效应，使其表现出奇特的光、电、磁、热、力等独特性能，在陶瓷增韧、污水处理、环境净化、生物医药、化妆品、涂料和军事等领域具有广阔的应用前景。本文主要分析了纳米材料在催化领域中的应用研究，并对其未来的发展趋势进行了展望。
关键词 纳米材料 催化 应用
中图分类号：TB38 文献标识码：A
纳米科技是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质，纳米材料是纳米科技的基础，被称为“跨世纪的新材料”，是21世纪最有前途的新型材料，由于材料尺寸小（在1～100 nm范围内），比表面积大，具有常规材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性以及在各领域广阔的应用前景。随着我国工业经济的快速发展，资源短缺和环境污染日益严峻，严重威胁了我国社会经济的可持续发展。而纳米光催化技术由于其可直接利用太阳光的特点，具有效率高、能耗低、适用范围广、无毒、绿色环保等优点，在环境治理中的应用日益受到人们的广泛关注和重视。本文主要分析了纳米材料在不同催化领域中的应用现状，并对其未来的发展趋势进行了展望。
1纳米材料在催化领域的应用现状
1.1纳米材料在化学反应中的催化作用
催化剂在化学化工领域中发挥着重要作用，它可以降低温度、控制反应时间、提高反应效率和速度，具有较高的化学反应选择性。纳米粒子具有表面能高、比表面积大、表面原子数增多且配位数不足，导致纳米粒子具有较高的催化活性，尤其是金属纳米粒子独特的表面效应，使其在有机催化，如氧化反应、还原反应、氢化反应、聚合反应等方面具有广阔的应用前景。例如，纳米Cu粒子以及纳米Ni粒子在乙炔聚合反应中的催化作用，纳米Au/Al2O3催化氧化环己烷制备环己酮，纳米Rh催化的烯烃氢甲酰化反应，等等。
1.2纳米材料在光催化降解有机污染物中的应用
自从上世纪70年代Fujishima和和Honda发现TiO2能够光催化分解水制氢以来，半导体光催化技术将成为解决世界能源危机和环境污染的重要手段。目前用于降解有机污染物的光催化纳米材料绝大多数是金属氧化物或硫化物等半导体材料，如TiO2、ZnO、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS等。光催化机理主要是半导体光催化纳米材料的能带结构存在一个充满电子的低能价带和一个空的高能导带，二者之间有一禁带，当用能量大于或等于禁带宽度的光照射时，其价带上的电子被激发跃过禁带进入导带，形成电子-空穴对，并在电场作用下分离并迁移到半导体表面，与半导体表面的氧气和水反应生成羟基自由（·OH）与超氧负离子（O2-）等强氧化性活性基团，这些活性基团具有较强的氧化性能，可以把环境中的有机污染物物最终氧化降解为对人体健康无害的CO2、H2O 以及其它无机盐。2013年孙莉等采用阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列，同时掺杂钆元素，合成了催化剂稳定性好、催化活性高、可重复使用的钆掺杂TiO2纳米管阵列，在碱性条件下，钆掺杂浓度为0.0075mol/L时，光催化5h后，制药废水降解率高达97.41%。2014年程锦等采用低溫水解法制备了纳米TiO2，在室温，湿度为50%，紫外灯照射120 min，甲醛降解率达到93%。2016年薛超等以醋酸锌和对苯二甲酸为原料，经过溶剂热和高温煅烧后，合成出太阳光照射下催化活性较高的纳米ZnO材料，太阳光光催化降解甲基橙溶液27 min后，甲基橙降解率达到99%。
1.3纳米材料在热催化中的作用
金属纳米超微颗粒的表面具有很高的活性，十分活泼，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，可以作为助燃剂在燃料中使用。如纳米Ni粉催化火箭燃料，可以提高燃烧效率达100倍以上。2016年黄鑫辰等利用多元醇介导自组装法制备出了哑铃状形貌的Fe3O4前驱体，在300℃下反应30 min时，对十溴联苯的热催化降解率几乎已达到100%，表现出较高的降解活性。
2结语
目前随着纳米科技的快速发展，纳米材料由于尺寸小，具有许多独特的物理、化学特性，已成为当前材料研究最活跃的领域之一。然而，从纳米材料的基础研究和实际应用来看，目前其研究还存在着许多问题。首先，一些半导体光催化剂禁带宽度较宽，只能在400 nm以下波长的光照射时才具有光催化活性，光生电子-空穴对容易复合，太阳光利用率低，严重制约了其在实际中的应用。因此，如何提高半导光催化剂的催化活性将成为人们今后研究的重点。其次，纳米材料制备方法多种多样，各有千秋，其生长机理还不完全清楚等等，需要进一步改进合成方法，合成一批结构和形貌较好，性能优异的纳米光催化材料。再者，加大规模生产和实际应用领域研究，促进光催化技术大规模的工业化实际应用。随着科学技术的不断进步，上述问题将会得到逐渐解决，纳米光催化技术将会得到充分的发展，纳米材料的应用前景也将会更加广阔。
作者简介：杨志广（1980-），男，汉族，河南周口人，博士，讲师，研究方向为无机纳米材料和有机功能材料。
参考文献
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