浅谈纳米材料的应用

浅谈纳米材料的应用

摘要纳米技术在21世纪前20年的迅猛发展，将给各个领域带来了巨大的改变。文章综述了纳米材料在敏感、催化、生物医学、光学、磁学等方面的应用和现状，并对纳米材料的应用前景进行了展望。

关键词纳米材料；应用

材料是人类社会进步的基础。材料的开发与应用在人类文明史上起了极为关键的作用。历史上的石器时代、铜器时代、铁器时代等的命名就是以材料的发展为基础的。材料、能源、信息构成人类社会的三大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不开材料技术的支持。而纳米技术在21世纪前20年将得到迅猛发展，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术之一。

纳米材料技术的研究主要包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微观结构和谱学特征，通过与常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论，发展完善纳米材料科学体系；二是发展新型的纳米材料。纳米尺度材料的合成为人们设计新型材料，特别是人类按自己的意志设计和探索所需要的新材料打开了新的大门。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。由于小尺寸效应和量子尺寸效应等，使它具有不同于常规固体的新特性。

这些新特性有高比表面、高活性、量子尺寸效应等，使之成为应用于传感器最有前途的材料。它对外界环境如温度、光、气体等十分敏感，外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态和电子输运的变化，利用其电阻等的显著变化可制成传感器，其特点是响应速度快，灵敏度高，选择性好。可望利用超微粒制成敏感度高的超小型、低能耗、多功能传感器。敏感材料按用途主要分为气敏、湿敏、热敏、压敏、离子敏、压阻、压电、光敏、磁敏、声敏、生物敏材料等。按材料的性质主要分为半导体材料、陶瓷材料等。因此有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。

以下大致介绍一下纳米陶瓷敏感材料的性质及应用：由于各种氧化物陶瓷微粉的晶粒晶界、表面状况和气孔结构等特性，可以把外界物理量转变为电信号，从而达到获取信息的目的。由于陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀和高稳定性等优点，所以广泛用于制造气体、温度、湿度和压力等传感器目前，陶瓷粉体技术已能充分控制粉体的组成、结构、形状、粒径及表面形态。陶瓷的成形和烧结技术已能使陶瓷形状、尺寸、均匀性及致密度得到控制。（阿尔法-Fe2O3）是重要的氧化物气敏材料。与普通多晶（阿尔法-Fe2O3）材料相比，纳米非晶材料的工作温度下降100度以上，但气体灵敏度却提高了好几倍，而且响应也快。不仅可大大节省能耗，也给传感器的线路设计提供了方便，有利于元件的小型化和集成化，是一种很有发展前途的新型气敏元件。【1】

纳米粒子的催化特性和它的特定模型密切相关，不同纳米晶粒的晶面活性是不相同的。下面从几个方面来介绍纳米材料在催化剂领域的应用：

1纳米金属催化粒子催化材料：这类纳米催化剂主要以贵金属为主，例如Pt、Rh、Ag 和Pd等，非贵金属有Ni、Fe及Co等。纳米金属粒子作为催化剂已成功地应用到加氢催化反应中。以粒径小于0.3微米的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成份制成的催化剂，可使有机物加氢的效率比传统镍催化剂高10倍【2】；超细Pt粉、WC(碳化钨粉)也是高效的

加氢催化剂。

2纳米金属氧化物半导体粒子的光催化材料：目前在光催化降解领域所采用的光催化剂多为N型半导体材料【2】，但由于光腐蚀和化学腐蚀的原因，实用性较好的只有TiO2和ZnO，其中以TiO2的使

用最为广泛。TiO2以其活性高、热稳定性好、持续性长、价格便宜、对人体无害等特征倍受人们青睐，成为最受重视的一种光催化剂，目前已广泛用于废水处理、有害气体净化、食品包装、日用品、纺织品、建材和涂料等方面。

3碳纳米管的催化材料：1991年，Iijima发现了碳纳米管。碳纳米管具有独特的结构和性质，并有潜在的用途，因而一经发现立即引起物理、化学和材料科学界的极大兴趣。碳纳米管是一种电子离域性很大的具有金属或半导体性质的特殊材料，碳纳米管可广泛用作催化剂和吸附剂，也可用作载体，可望成为分子导线、场能发射材料等。这些新型碳纳米材料因其结构、性质奇特，有许多潜在的重要用途，其中，由催化生长法制备的多壁碳纳米管兼具纳米级管腔结构、大比表面积、类石墨结构的多层管壁以及高电导率等特点，作为新型催化剂或其载体材料，正在引起化学工作者的高度重视。

4分子筛的催化材料：在分子筛的孔腔中组装或封装金属配合物所制备的金属配合物分子筛复合催化材料具有反应条件温和、反应活性和选择性高、易与产物分离、可重复使用、位分离效应和择形效应高等优点，是传统均相催化剂和多相催化剂不可比拟的极具潜力的新型催化材料。纳米沸石的优良性能预示纳米分子筛材料的广阔前景。采用纳米分子筛作为主体材料有望使金属配合物分子筛复合催化剂的催化性能得到进一步提高。

而其在光学上的应用也十分广泛。纳米粒子的粒径远小于光波波长，与入射光有交互作用，光透性可通过控制粒径和气孔率而精确控制H 在感应和光过滤场合有广泛应用。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱普遍存在蓝移现象H 其光吸收率很大，因此可应用于红外线感测器材料。光纤在现代通信和光传输上占有极为重要的地位，纳米微粒作为光纤的材料已显示出它的优越性。它可以降低光导纤维的传输损耗。热处理后的纳米SiO2光纤对波长大于600nm的光的传输损耗小于10dB/km，表明热处理的光纤有着优异的性能；此外，纳米微粒被广泛用于制备红外反射材料，在照明工业上有很好的前景；良好的紫外吸收特性（蓝移宽化），使得纳米材料被广泛用于制作半导体器件的紫外过滤器，纳米材料作为日光灯管的荧光粉掺杂剂，吸收有害紫外光又不降低荧光粉的发光效率。目前这方面研究大多处于实验室阶段，不久的将来，这些特殊光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛应用。

而在磁学方面，新一代计算机硬盘系统中磁记录密度超过1155Gb/cm2，目前在这种密度下巨磁电阻效应的读出,磁头可将磁盘的记录密度提高到1171 Gb/cm2。高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3等透明磁体(磁性<3A(Wb.g))至少高1个数量级（虽然透光性略低一些），可在磁光系统、磁光材料中得到应用。信息量的几何级数的增加，要求记录材料的高性能化，特别是记录的高密度化。高记录密度的记录材料要求单位面积中含有较多的记录单位，这就对记录单元提出了要求，传统的感应法读出磁头和普通（薄膜）合金磁电阻磁头(后者的磁

致电阻效应为3%)已不能满足需求,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。以纳米粒子作为记录单元，使记录密度大大提高。磁性纳米微粒一般为铁或氧化铁针状粒子，由于尺寸小，单磁畴结构，具有矫顽力高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量。同时,纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似的线形关系,可用作新型的磁传感器材料。信息时代的到来，决定了纳米磁性材料将拥有广泛的市场。