納米材料特性及其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

1、納米材料特性及其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用材紡學(xué)院高材082 林允博摘要:納米材料是指晶粒尺寸為納米級( 1 0-9米 的超細(xì)材料。納米技術(shù)作為一種最具有市場應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù) ,它將成為眾多技術(shù)的創(chuàng)新動力。本文概述了納米材料的形態(tài)、特殊性質(zhì)以及納米材料的應(yīng)用,以使大家更清楚地認(rèn)識納米材料, 并了解其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。關(guān)鍵詞:納米; 納米技術(shù); 前景; 環(huán)境保護(hù)1 納米材料概述著名的諾貝爾化學(xué)獎獲得者Feyneman在20世紀(jì)60年代曾預(yù)言如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。

2、納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個熱點納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)則被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域所謂納米科學(xué)是指研究納米尺寸范圍在0.1 100nm之內(nèi)的物質(zhì)所具有的物理化學(xué)性質(zhì)和功能的科學(xué)而納米科技其實就是一種用單個原子分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)它以納米科學(xué)為理論基礎(chǔ),進(jìn)行制造新材料新器件研究新工藝的方法。1984年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6 n m的Fe 粒子原位加壓成形,燒結(jié)得到納米微晶塊體,從而使納米材料進(jìn)入了一個新的階段。1990年7月在美國召

3、開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議,正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來說,它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中,界面原子占極大比例,而且原子排列互不相同,界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān),從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。2、納米顆粒的基本性征2.1 表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比, 其體積與直徑的立方成正比,故其比表面積(表面積/體積與直徑成反比。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的,若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒(直徑為2.1 3m 進(jìn)行電視攝像,實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài),隨著時間的變化會自動形成各種形狀(

4、 如立方八面體、十面體、二十面體等 的晶型,它既不同于一般固體,又不同于液體,是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下, 表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài),尺寸大于10m后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,這時微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。超微顆粒的表面具有很高的活性, 在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層, 確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性,金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料。2.2 小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變, 在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變

5、化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言, 尺寸變小, 同時其比表面積亦顯著增加,從而產(chǎn)生特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、超導(dǎo)電性、介電性能以及化學(xué)性能等一系列新奇的性質(zhì)。3、納米材料的形態(tài)3.1 納米顆粒型材料應(yīng)用時直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料被稱為第4代催化劑的超微顆粒催化劑,利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率,例如,以粒徑小于0.3m的鎳和鋼- 鋅合金的超微顆粒為主要分制成的催化劑可使有機(jī)物氯化的效率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍;超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水,超細(xì)鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用,從而生成碳纖維。3.2 納米固體材料納米固體材料通

6、常指由尺寸小于15nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型,或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面,如5nm 顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界,原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高1014 1016倍,從而使得納米材料具有高韌性。如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級,又將恢復(fù)通常陶瓷的特性,因此可以利用納米陶瓷的范性對陶瓷進(jìn)行擠壓與軋制加工,隨后進(jìn)行熱處理,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔＬ沾?或進(jìn)行表面熱處理,使材料內(nèi)部保持韌性,但表面卻顯示出高硬度高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發(fā)展的趨勢是超薄型(厚度僅為幾m,為了保證均質(zhì)性,組成的粒子直徑應(yīng)為厚度的1%左右,因

7、此需用超微顆粒為原材料。3.3 納米顆粒膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜,通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材,在基片上生成復(fù)合膜,當(dāng)兩組分的比例大致相當(dāng)時。就生成迷陣狀的復(fù)合膜,因此改變原始靶材中兩種組分的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài),從而控制膜的特性。對金屬與非金屬復(fù)合膜,改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體顆粒膜材料有諸多應(yīng)用例如作為光的傳感器,金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內(nèi),光的吸收效率與波長的依賴性甚小,從而可作為紅外線傳感元件。鉻氧化二鉻顆粒膜對太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用,可以有效地將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。超微顆粒雖有眾多優(yōu)點,

8、但在工業(yè)上尚未形成較大的規(guī)模,其主要原因是價格較高,兩顆粒膜的應(yīng)用則不受價格因素的影響,這是超微顆粒實用化的很重要的方向。3.4 納米磁性液體材料磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機(jī)表面活性劑,高度彌散于一定基液中,而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體地運(yùn)動,因此具有其他液體所沒有的磁控特性。常用的磁性液體采用鐵氧體微顆粒制成,它的飽和磁化強(qiáng)度大致上低于0.4T。目前研制成功的由金屬磁性微粒制成的磁性液體,其飽和磁化強(qiáng)度可比前者高四倍。國外磁性液體已商品化, 美、日、英等國均有磁性液體公司, 供應(yīng)各種用途的磁性液體及其器件。4 納米技術(shù)在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用4.1 用納米技術(shù)處

9、理廢水凈化空氣納米級的凈化物質(zhì)具有一定的吸附能力,可以將污水中的一些懸浮物, 粒子等污染物除去, 用納米膜可以制成很高效的過濾裝置,可以去除污水中直徑比納米大的細(xì)菌、病毒等而水分子及一些礦物質(zhì)元素被保留下來。此外,應(yīng)用光催化技術(shù), 納米TiO 2 可以對污水中的一些有機(jī)物進(jìn)行降解,并且無二次污染。中國科學(xué)院利用太陽光和納米TiO2對十二烷基苯磺酸鈉水溶液進(jìn)行了降解, 效果十分明顯。納米TiO2 能對水中的重金屬離子通過光生電子產(chǎn)生很強(qiáng)的還原能力, C6+具有很強(qiáng)的致癌性, 地表水中C6+最高允許含量為0 . 1mg / l。通過TiO 2的光催化還原可使85% 的C6+被還原, 這在實際應(yīng)用中

10、處理含廢水有著重要意義。另外,納米TiO2對于水中的鹵化脂肪烴、染料、硝基芳烴、鹵化苯胺、多環(huán)芳烴、表面活性劑、農(nóng)藥等都能有效地進(jìn)行光催化反應(yīng),達(dá)到脫色礦化最終分解為CO2和H2 O, 從而消除有機(jī)物對環(huán)境的污染的目的。福州大學(xué)光催化研究所張星副教授稱,國際上流行的室內(nèi)空氣清潔技術(shù),到目前為止,主要有三種:負(fù)離子發(fā)生技術(shù),活性炭過濾吸收技術(shù)和眼下最尖端的納米材料光催化分解污染物質(zhì)技術(shù)。前兩種技術(shù),雖然能夠分別增加負(fù)氧離子密度、過濾部分有害物質(zhì),但都不如光催化技術(shù),無痕無跡自然分解,沒有介質(zhì)飽和的顧慮。納米材料光催化新技術(shù),將廣泛應(yīng)用于室內(nèi)空氣改善領(lǐng)域,給追求健康生活的中國人帶來一片“都市森林”

11、。TiO2光催化劑可使空氣中的氮氧化物和硫氧化物形成相對應(yīng)的酸。而利用TiO2微粉制成的光催化混凝土鋪路則可有效地去除汽車尾氣中的氮氧化物,凈化空氣質(zhì)量富士電機(jī)綜合研究所利用納米TiO2制成能對低濃度氮氧化物進(jìn)行分解的空氣凈化器, 并制成除臭冷藏車等并且可在諸如電視探頭、交通監(jiān)視探頭、大型城市玻璃幕墻等特別忌諱污跡的地方,涂上特殊的納米材料光催化劑8, 則能夠形成人們以往夢寐以求的“自清潔”物品, 污跡無法附著,無須清洗。4.2 用納米技術(shù)對環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測NO x可導(dǎo)致酸雨和溫室效應(yīng), 那么它們在大氣中的含量必須被適時監(jiān)測,利用納米技術(shù)研制的碳納米管可以用于監(jiān)測NO x, 并且造價低廉,體積

12、小。4.3 用納米技術(shù)進(jìn)行靜電紫外線屏蔽將納米TiO2加入導(dǎo)電粉末可以使之具有裝飾作用和高反射作用,在電子工業(yè)、航天工業(yè)中被廣泛應(yīng)用在電子元器件表面衛(wèi)星的非金屬表面以及靜電復(fù)印地毯等。利用納米TiO2的強(qiáng)散射及對紫外線的吸收能力,可以廣泛應(yīng)用于化妝品。中英國Ioxide公司將超微細(xì)的粉末制成漿狀產(chǎn)品以供化妝品廠家使用,美國也開發(fā)出了六種商品化的無機(jī)防曬劑。4.4 應(yīng)用納米技術(shù)創(chuàng)造多樣、高效的界面材料由于納米尺度上的物質(zhì)具有許多不同尋常的特性, 從而可以研制出一系列具有奇異功能的納米界面材料,中國科學(xué)院化學(xué)所江雷博士的小組發(fā)現(xiàn),兩種性質(zhì)相反的材料做到納米尺度時, 在特定條件下具有協(xié)同的相互作用,

13、 在宏觀上表現(xiàn)出奇異的性能。二元協(xié)同納米界面材料就是指在材料加工上,對材料表面進(jìn)行某種特殊加工,從而在材料的宏觀界面建立一個二元協(xié)同納米界面結(jié)構(gòu),使材料具有特殊性能。利用這一研究成果,科學(xué)家研制出一種同時具有超親水性和超親油性的界面物質(zhì)材料,用這種材料修飾過的玻璃表面及建筑材料表面具有自清潔、防霧等功能?？蒲腥藛T還開發(fā)出一種同時具有超疏水性和超疏油性的界面物質(zhì)材料, 經(jīng)過修飾的建筑材料表面,具有自清潔和防霧、防冰霜的效果;紡織品經(jīng)技術(shù)處理,具有防水和防油的功能,石油工人的衣服不再油跡斑斑。5、納米技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望納米技術(shù)是從原子和分子開始制造材料和產(chǎn)品的技術(shù)。這種從小到大的制造方式

14、需要的材料較少,造成污染程度低。由于納米技術(shù)導(dǎo)致產(chǎn)品微型化, 所需資源減少, 所以在節(jié)能環(huán)保方面具有潛在的發(fā)展空間。在儲能方面,碳納米材料可以提供一種有效而清潔的儲氫方式。我國科學(xué)家也正在積極系統(tǒng)地研究納米碳管的儲氫吸波等特性。另外納米技術(shù)還可以應(yīng)用在固體垃圾的處理中。總之,納米技術(shù)將與當(dāng)代科技的三大支柱基礎(chǔ)科學(xué)、生物科學(xué)、信息技術(shù)相提并論,隨納米材料制備和應(yīng)用研究發(fā)展而發(fā)展起來的納米技術(shù)很可能成為本世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)。盡管納米技術(shù)的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展,但仍有一些問題有待進(jìn)一步解決。有些納米技術(shù)還停留在實驗室階段, 沒有形成產(chǎn)業(yè)化, 但這些都是納米技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化的基礎(chǔ), 可以相信, 納米技術(shù)在環(huán)保領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,用納米技術(shù)解決環(huán)保問題已是環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢。參考文獻(xiàn):3 曹學(xué)軍.神奇的納米技術(shù)J.國外科技動態(tài),2000,9(3:33-364 李泉,曾廣斌.納米粒子J.化學(xué)通報,1995,(6:295 李良果,鄭慶龍,張克.納米粒子結(jié)構(gòu)分析J.化工新型材料,1991,19(12:126 嚴(yán)東生,馮端.材料新星-納米材料科學(xué)M.長沙:湖南科技出版社,20007 張梅.納米TiO2一種性能優(yōu)良的光催化劑J.化工新型材料,2000,28(4:28-308 邱星林,徐安武.納米級TiO2光催化凈化大氣環(huán)保涂料的研制J.中國涂料,2000,