纳米材料特性及其在环境保护领域的应用

纳米材料特性及其在环境保护领域的应用
材纺学院高材082 林允博
摘要：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级( 1 0-9米) 的超细材料。

纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术 ,它将成为众多技术的创新动力。

本文概述了纳米材料的形态、特殊性质以及纳米材料的应用，以使大家更清楚地认识纳米材料, 并了解其在环保领域的应用现状与前景。

关键词：纳米; 纳米技术; 前景; 环境保护
1 纳米材料概述
著名的诺贝尔化学奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾预言如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性就会看到材料的性能产生丰富的变化他所说的材料就是现在的纳米材料。

纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点纳米材料是纳米技术应用的基础其相应发展起来的纳米技术则被公认为是21世纪最具有前途的科研领域所谓纳米科学是指研究纳米尺寸范围在0.1 100nm之内的物质所具有的物理化学性质和功能的科学而纳米科技其实就是一种用单个原子分子制造物质的科学技术它以纳米科学为理论基础，进行制造新材料新器件研究新工艺的方法。

1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。

Gleiter在高真空的条件下将粒径为6 n m的Fe 粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。

1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。

在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

2、纳米颗粒的基本性征
2.1 表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比, 其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2.1~ 3μm )进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状( 如立方八面体、十面体、二十面体等) 的晶型,它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。

在电子显微镜的电子束照射下, 表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10μm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。

超微颗粒的表面具有很高的活性, 在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。

如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层, 确保表面稳定化。

利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

2.2 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变, 在一定条件下会引起颗粒性质的质变。

由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

对超微颗粒而言, 尺寸变小, 同时其比表面积亦显著增加,从而产生特殊的光学、热学、磁学、力学、声学、超导电性、介电性能以及化学性能等一系列新奇的性质。

3、纳米材料的形态
3.1 纳米颗粒型材料
应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料被称为第4代催化剂的超微颗粒催
化剂,利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率,例如,以粒径小于0.3μm的镍和钢- 锌合金的超微颗粒为主要分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。

3.2 纳米固体材料
纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。

纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面,如5nm 颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高1014 1016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。

如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级,又将恢复通常陶瓷的特性,因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工,随后进行热处理,使其转变为通常陶瓷,或进行表面热处理,使材料内部保持韧性,但表面却显示出高硬度高耐磨性与抗腐蚀性。

电子陶瓷发展的趋势是超薄型(厚度仅为几μm),为了保证均质性,组成的粒子直径应为厚度的1%左右,因此需用超微颗粒为原材料。

3.3 纳米颗粒膜材料
颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材,在基片上生成复合膜,当两组分的比例大致相当时。

就生成迷阵状的复合膜,因此改变原始靶材中两种组分的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态,从而控制膜的特性。

对金属与非金属复合膜,改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体颗粒膜材料有诸多应用例如作为光的传感器,金颗粒膜从可见光到红外光的范围内,光的吸收效率与波长的依赖性甚小,从而可作为红外线传感元件。

铬——氧化二铬颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,可以有效地将太阳光转变为热能。

超微颗粒虽有众多优点,但在工业上尚未形成较大的规模,其主要原因是价格较高,两颗粒膜的应用则不受价格因素的影响,这是超微颗粒实用化的很重要的方向。

3.4 纳米磁性液体材料
磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。

它可以在外磁场作用下整体地运动,因此具有其他液体所没有的磁控特性。

常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成,它的饱和磁化强度大致上低于0.4T。

目前研制成功的由金属磁性微粒制成的磁性液体,其饱和磁化强度可比前者高四倍。

国外磁性液体已商品化, 美、日、英等国均有磁性液体公司, 供应各种用途的磁性液体及其器件。

4 纳米技术在环境保护领域的应用
4.1 用纳米技术处理废水净化空气
纳米级的净化物质具有一定的吸附能力,可以将污水中的一些悬浮物, 粒子等污染物除去, 用纳米膜可以制成很高效的过滤装置,可以去除污水中直径比纳米大的细菌、病毒等而水分子及一些矿物质元素被保留下来。

此外,应用光催化技术, 纳米TiO 2 可以对污水中的一些有机物进行降解,并且无二次污染。

中国科学院利用太阳光和纳米TiO2对十二烷基苯磺酸钠水溶液进行了降解, 效果十分明显。

纳米TiO2 能对水中的重金属离子通过光生电子产生很强的还原能力, C6+具有很强的致癌性, 地表水中C6+最高允许含量为0 . 1mg / l。

通过TiO 2的光催化还原可使85% 的C6+被还原, 这在实际应用中处理含废水有着重要意义。

另外,纳米TiO2对于水中的卤化脂肪烃、染料、硝基芳烃、卤化苯胺、多环芳烃、表面活性剂、农药等都能有效地进行光催化反应,达到脱色矿化最终分解为CO2和H2 O, 从而消除有机物对环境的污染的目的。

福州大学光催化研究所张星副教授称,国际上流行的室内空气清洁技术,到目前为止,主要有三种:负离子发生技术,活性炭过滤吸收技术和眼下最尖端的纳米材料光催化分解污染物质技术。

前两种技术,虽然能够分别增加负氧离子密度、过滤部分有害物质,但都不如光催化技术,无痕无迹自然分解,没有介质饱和的顾虑。

纳米材料光催化新技术,将广泛
应用于室内空气改善领域,给追求健康生活的中国人带来一片“都市森林”。

TiO2光催化剂可使空气中的氮氧化物和硫氧化物形成相对应的酸。

而利用TiO2微粉制成的光催化混凝土铺路则可有效地去除汽车尾气中的氮氧化物,净化空气质量富士电机综合研究所利用纳米TiO2制成能对低浓度氮氧化物进行分解的空气净化器, 并制成除臭冷藏车等并且可在诸如电视探头、交通监视探头、大型城市玻璃幕墙等特别忌讳污迹的地方,涂上特殊的纳米材料光催化剂[8], 则能够形成人们以往梦寐以求的“自清洁”物品, 污
迹无法附着,无须清洗。

4.2 用纳米技术对环境污染进行监测
NO x可导致酸雨和温室效应, 那么它们在大气中的含量必须被适时监测,利用纳米技术研制的碳纳米管可以用于监测NO x, 并且造价低廉,体积小。

4.3 用纳米技术进行静电紫外线屏蔽
将纳米TiO2加入导电粉末可以使之具有装饰作用和高反射作用，在电子工业、航天工业中被广泛应用在电子元器件表面卫星的非金属表面以及静电复印地毯等。

利用纳米TiO2的强散射及对紫外线的吸收能力,可以广泛应用于化妆品。

中英国Ioxide公司将超微细的粉末制成浆状产品以供化妆品厂家使用,美国也开发出了六种商品化的无机防晒剂。

4.4 应用纳米技术创造多样、高效的界面材料
由于纳米尺度上的物质具有许多不同寻常的特性, 从而可以研制出一系列具有奇异功能的纳米界面材料,中国科学院化学所江雷博士的小组发现,两种性质相反的材料做到纳米尺度时, 在特定条件下具有协同的相互作用, 在宏观上表现出奇异的性能。

二元协同纳米界面材料就是指在材料加工上,对材料表面进行某种特殊加工,从而在材料的宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构,使材料具有特殊性能。

利用这一研究成果,科学家研制出一种同时具有超亲水性和超亲油性的界面物质材料,用这种材料修饰过的玻璃表面及建筑材料表面具有自清洁、防雾等功能。

科研人员还开发出一种同时具有超疏水性和超疏油性的界面物质材料, 经过修饰的建筑材料表面,具有自清洁和防雾、防冰霜的效果;纺织品经技术处理,具有防水和防油的功能,石油工人的衣服不再油迹斑斑。

5、纳米技术在环保领域的应用前景展望
纳米技术是从原子和分子开始制造材料和产品的技术。

这种从小到大的制造方式需要的材料较少,造成污染程度低。

由于纳米技术导致产品微型化, 所需资源减少, 所以在节能环保方面具有潜在的发展空间。

在储能方面,碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。

我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢吸波等特性。

另外纳米技术还可以应用在固体垃圾的处理中。

总之,纳米技术将与当代科技的三大支柱——基础科学、生物科学、信息技术相提并论,随纳米材料制备和应用研究发展而发展起来的纳米技术很可能成为本世纪的主导技术。

尽管纳米技术的研究已经取得了很大进展,但仍有一些问题有待进一步解决。

有些纳米技术还停留在实验室阶段, 没有形成产业化, 但这些都是纳米技术实现工业化的基础, 可以相信, 纳米技术在环保领域将产生深远的影响,用纳米技术解决环保问题已是环境保护发展的必然趋势。

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