49、纳米材料在轮胎与光催化领域的应用研究

纳米材料在轮胎与光催化领域的应用研究

1. 纳米材料在轮胎制造中的潜力

纳米材料在轮胎制造领域具有巨大的未开发潜力。研究表明，纳米材料的使用可以改善轮胎的性能，但也面临着一些挑战。

• 面临的挑战

  • 均匀分布问题 ：需要确保纳米材料在橡胶基质中均匀分布，这对于发挥纳米材料的性能至关重要。
  • 环境与健康影响 ：纳米材料对环境和健康的潜在影响仍然未知，这需要进一步的研究来评估。

• 研究方向

  • 综合考虑轮胎与路面条件 ：开展同时考虑轮胎特性和路面条件的研究，目标是降低轮胎噪音并提高性能。这有助于开发适应不同路面条件的先进轮胎设计和材料，对提高车辆安全性和性能至关重要。
  • 解决环境与健康问题 ：创建新的纳米材料生产和应用方法，以解决环境和健康问题。同时，需要研究纳米材料在轮胎中的长期影响。

2. 镍/钴离子掺杂对氧化锌性能的影响

2.1 研究背景

氧化锌（ZnO）作为一种研究广泛的半导体光催化剂，具有无毒和物理稳定性的优点。通过掺杂过渡金属如钴（Co）和镍（Ni），可以提高其光催化效率。然而，过渡金属与ZnO在光催化研究中的相互作用尚不清楚。

2.2 实验部分

• 材料准备 ：使用的材料包括二水合醋酸锌、氢氧化钠、四水合醋酸钴、四水合醋酸镍和无水乙醇，均为分析纯，可直接使用。
• 样品合成
  • ZnO合成 ：将二水合醋酸锌溶解在乙醇中，加入氢氧化钠溶液搅拌，经过离心、干燥和退火处理得到ZnO。
  • Co - ZnO和Ni - ZnO合成 ：分别将醋酸钴和醋酸镍溶解在乙醇中，与锌溶胶混合，按照相同的方法得到Co - ZnO和Ni - ZnO纳米材料。
• 表征方法
  • XRD ：用于确定样品的晶体结构和相形成，通过Debye Scherer公式计算晶粒尺寸。
  • FTIR ：研究样品的官能团，采用溴化钾圆盘法在4000 - 400 cm⁻¹范围内进行表征。
  • BET ：测定样品的比表面积和孔径分布。
  • SEM ：观察样品的表面形貌。
  • UV - Vis ：测量样品的紫外可见吸收光谱，通过Tauc图确定能带隙。
• 光催化降解实验 ：将10 mL浓度为10 mM的亚甲基蓝（MB）溶液与样品粉末在黑暗中搅拌，建立吸附 - 解吸平衡。然后将样品置于紫外灯下照射30分钟，通过注射器抽取样品并用UV - Vis分光光度计观察降解效果。

2.3 结果与讨论

• 结构分析
  • XRD结果 ：XRD图谱显示，ZnO呈现六方纤锌矿相的特征衍射峰。掺杂Co和Ni后，峰强度降低，表明Co²⁺和Ni²⁺成功掺入Zn²⁺位点。同时，衍射峰向高角度移动，晶体尺寸减小，从ZnO的14.8 nm分别降至Co - ZnO的8.57 nm和Ni - ZnO的8.15 nm。
  • FTIR结果 ：FTIR光谱证实了O - H、C - H和Zn - O等官能团的存在。Ni - ZnO样品的吸收带强度显著降低，表明在煅烧过程中释放了更多的水分。Zn - O带的强度在掺杂后减弱，且向高波数移动。
  • BET结果 ：氮气吸附/解吸等温线表明，样品属于IV型等温线，具有介孔结构。ZnO的比表面积最小，为28.11 m²/g，Co - ZnO为35.05 m²/g，Ni - ZnO最大，为91.09 m²/g。

样品	晶体尺寸（nm）	比表面积（m²/g）	孔径（nm）
ZnO	14.8	28.11	9.59
Co - ZnO	8.57	35.05	5.12
Ni - ZnO	8.15	91.09	2.99

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graph LR
    A[材料准备] --> B[ZnO合成]
    A --> C[Co - ZnO和Ni - ZnO合成]
    B --> D[XRD表征]
    C --> D
    B --> E[FTIR表征]
    C --> E
    B --> F[BET表征]
    C --> F
    B --> G[SEM表征]
    C --> G
    B --> H[UV - Vis表征]
    C --> H
    D --> I[结构分析]
    E --> I
    F --> I
    G --> I
    H --> I
    I --> J[光催化降解实验]

纳米材料在轮胎与光催化领域的应用研究

3. 形貌与光学性质分析

• 形貌分析
  • SEM结果 ：扫描电子显微镜（SEM）观察显示，ZnO呈现不规则的纳米晶粒分布，由紧密堆积的球形和椭圆形颗粒组成。而Co - ZnO和Ni - ZnO样品则呈现出准球形和棒状的表面形貌。这种形貌的变化可能与掺杂离子对晶体生长的影响有关。
• 光学性质分析
  • 能带隙变化 ：通过UV - Vis光谱和Tauc图分析，发现掺杂使能带隙降低。ZnO的能带隙为3.11 eV，Co - ZnO降至2.98 eV，Ni - ZnO降至3.02 eV。能带隙的减小意味着材料对光的吸收范围向可见光区域拓展，有利于提高光催化效率。
  • 光致发光特性 ：ZnO的光致发光特性归因于可见区域的宽带发射，这是由于涉及缺陷态的跃迁引起的。掺杂后，光致发光特性可能会发生变化，这与掺杂离子引入的新能级有关。

4. 光催化性能评估

• 不同样品的光催化效率
  • 在30分钟的照射时间内，对不同浓度（10、30和50 mg/ml）的样品进行光催化降解亚甲基蓝（MB）的实验。结果表明，Co - ZnO在较低负载量（10和30 mg/ml）下表现出更好的光催化性能。这可能是因为Co掺杂导致ZnO表面形成更多的活性位点，有利于吸附O₂分子和OH⁻离子，从而促进MB的降解。
• 光催化性能影响因素分析
  • 晶体结构 ：XRD结果显示，掺杂后晶体尺寸减小，结构更加无序，这可能增加了表面缺陷和活性位点，有利于光生载流子的分离和传输，从而提高光催化效率。
  • 能带隙 ：能带隙的降低使材料能够吸收更多的可见光，产生更多的光生电子 - 空穴对，进而提高光催化活性。
  • 表面形貌 ：Co - ZnO和Ni - ZnO的准球形和棒状形貌可能提供了更大的比表面积和更多的活性位点，有助于提高光催化性能。

样品	负载量（mg/ml）	30分钟降解率
ZnO	10	较低
ZnO	30	较低
ZnO	50	较低
Co - ZnO	10	较高
Co - ZnO	30	较高
Co - ZnO	50	中等
Ni - ZnO	10	中等
Ni - ZnO	30	中等
Ni - ZnO	50	中等

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graph LR
    A[晶体结构] --> B[光催化性能]
    C[能带隙] --> B
    D[表面形貌] --> B
    E[掺杂离子] --> A
    E --> C
    E --> D

5. 总结与展望

纳米材料在轮胎制造和光催化领域都展现出了巨大的潜力。在轮胎制造中，虽然纳米材料的应用面临均匀分布和环境健康影响等挑战，但通过进一步的研究和开发，有望开发出优化、安全和环保的轮胎解决方案。在光催化领域，Co和Ni掺杂的ZnO通过改变晶体结构、能带隙和表面形貌，提高了光催化性能。特别是Co - ZnO在较低负载量下表现出优异的光催化活性，为光催化降解污染物提供了一种有前景的材料。

未来的研究可以从以下几个方面展开：
- 在轮胎制造方面，深入研究纳米材料的均匀分布方法，评估其长期的环境和健康影响，开发更环保的纳米材料生产和应用技术。
- 在光催化领域，进一步优化掺杂工艺，探索其他过渡金属或多种金属的共掺杂，以提高光催化效率和稳定性。同时，研究光催化反应的机理，为实际应用提供理论支持。