納米材料在環(huán)保中的應(yīng)用和實(shí)例分析

1、納米材料在環(huán)保中的應(yīng)用和實(shí)例分析現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展在為人類創(chuàng)造巨大財(cái)富的同時(shí)給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染：工業(yè)污染對(duì)空氣及水污染治理的關(guān)鍵在于: 污染物降解過程本身也是環(huán)保的，即不能產(chǎn)生有害人體和環(huán)境的副產(chǎn)物。納米材料在環(huán)保與能源領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例一種可以用來代替汽車中的金屬構(gòu)件的納米粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料。這種納米復(fù)合材料的廣泛使用，可能使汽油的燃燒量每年減少15億kg，二氧化碳的排放量每年減少50億kg。納米技術(shù)用于處理污水。具有孔徑在10100nm范圍的有序間隙多孔材料正在廣泛地應(yīng)用于清除超微細(xì)污染物，還可將污水中的貴金屬金、鈀、鉑等完全提煉出來，變廢為寶。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)效率低，成本高，又存在二次

2、污染問題。納米材料在環(huán)保與能源領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例用粘土和聚合物的納米粒子替代輪胎中的炭黑，是一項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)保型、耐磨損輪胎的新技術(shù)。新型電池、使用人工光合作用的清潔能源、量子阱式太陽(yáng)能電池、氫燃料的安全貯存等。納米硅、非晶態(tài)硅在光電材料中的應(yīng)用。納米TiO2由于其表面同時(shí)具有超親水性和超親油性，因此具有自清潔效應(yīng)，即具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。如將TiO2鍍膜玻璃置于水蒸氣中，玻璃表面會(huì)附著水霧，紫外線光照射后，表面水霧消失，玻璃重又變得透明。在汽車擋風(fēng)玻璃、后視鏡表面鍍上TiO2薄膜，可防止鏡面結(jié)霧。自清潔納米材料的防霧效果：超雙親性界面材料納米材料在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例疏水/疏油雙疏表面的設(shè)計(jì)

3、：紅色代表疏水層，綠色代表疏油層衣服纖維紅外屏蔽纖維抗紫外線輻照纖維抑菌除臭纖維納米材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)例7.1 納米光催化材料7.2 納米儲(chǔ)氫材料 納米材料在環(huán)境能源領(lǐng)域的應(yīng)用7.1 納米光催化材料 7.1.1 納米粒子的光催化原理 7.1.2 納米材料在空氣凈化中的應(yīng)用 7.1.3 納米材料在抗菌方面的應(yīng)用 7.1.4 納米材料在污水處理中的應(yīng)用 7.1.5 納米環(huán)保復(fù)合涂料 是指半導(dǎo)體材料吸收外界輻射能激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子（e-）和價(jià)帶空穴（h+），進(jìn)而與吸附在催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)的過程。7.1.1 納米粒子的光催化原理這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方

4、面有重要的應(yīng)用。什么是半導(dǎo)體材料的光催化？理論上講 ,只要半導(dǎo)體吸收的光能 (h)不小于其帶隙能,能足以激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴 ,該半導(dǎo)體就有可能用作光催化劑。晶粒尺寸減小到一定程度后，光能隙藍(lán)移，對(duì)應(yīng)于更高的氧化-還原電位，才有更強(qiáng)的氧化-還原能力；晶粒尺寸減小后光生載流子遷移到晶粒表面的時(shí)間大大縮短，有效地減少了光生電子和光生空穴的體相復(fù)合。使納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前大部分不會(huì)重新結(jié)合，因此電子、空穴到達(dá)表面的數(shù)量多，化學(xué)反應(yīng)活性高。有代表性的光催化劑：TiO2 、ZnO、ZnS、CdS、 PbS、Fe2O3、WO3等。為什么納米顆粒的半導(dǎo)體才具有光催化效應(yīng)？為什么納米Ti O2

5、是研究中采用最廣泛的光催化劑？污染物一般來自6個(gè)方面：空氣污染、水污染、固體污染、放射性污染、噪聲污染、熱污染7.1.2 納米材料在空氣凈化中的應(yīng)用光催化技術(shù)是解決日益嚴(yán)重的水、空氣和土壤等環(huán)境污染的一條新途徑，由于具有較小的顆粒尺寸，而且微粒表面形態(tài)隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子臺(tái)階，從而起到下面三方面的作用： 1） 提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)率；2）決定反應(yīng)路徑，良好的選擇性；3）降低反應(yīng)溫度。將多種有機(jī)污染物完全礦化為CO2、H2O及其它無機(jī)小分子或離子；將高毒性的CN-氧化為CNO-，CrO4+還原為Cr3+，降低毒性；將氣相體系中的氮氧化物分解并將有機(jī)污染物氧化。

6、例如：CXHY +（x +（y-z）/4 ）O2 xCO2+yH+ + zCl- + （y-z） /2H2OHv，TiO2在紫外光作用下，TiO2產(chǎn)生的e-和h+除了可以直接與反應(yīng)物反應(yīng)外，還可與吸附在催化劑表面的其它電子給體或受體反應(yīng)，生成活性氧自由基并有殺菌的功能：大氣污染：納米材料與納米技術(shù)可從兩方面產(chǎn)生影響納米材料可應(yīng)用于汽車尾氣的超標(biāo)報(bào)警器及凈化器上，減少有害氣體的排放：納米材料的使用可提高汽車尾氣傳感器的氣體敏感度和響應(yīng)度，可通過加入添加劑、制成過濾膜或透氣膜以及控制材料微細(xì)結(jié)構(gòu)，提高對(duì)尾氣的靈敏度、穩(wěn)定性和選擇性； 超細(xì)的Fe、Ni與Fe2O3混合燒結(jié)體替代貴金屬作尾氣凈化器，可

7、降低成本，提高效率。應(yīng)用于石油提煉工藝中的脫硫工藝，從根源上解決污染源問題：納米材料可提高脫硫工藝的效率。半徑為5570nm的CoTiO3和3060nm的ZnTiO3粉可作脫硫催化劑，經(jīng)催化的石油中硫的含量小于0.01%,達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。納米助燒催化劑可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生SO2氣體。復(fù)合稀土化合物的納米粉體如鈰酸鋯有極強(qiáng)的氧化還原性能，可徹底解決尾氣中的CO和NOx，從而無需進(jìn)行尾氣凈化處理。納米材料與納米技術(shù)可從兩方面降低大氣污染7.1.3 納米材料在抗菌方面的應(yīng)用-納米抗菌復(fù)合材料細(xì)菌、霉菌作為病原菌對(duì)人類和動(dòng)植物有很大的危害，影響人們的健康，甚至危急生命；微生物還會(huì)引起各種工業(yè)材料、食

8、品、化妝品、醫(yī)藥品等分解、變質(zhì)、劣化、腐敗，會(huì)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)美國(guó)WHO雜志1996年統(tǒng)計(jì)，1995年全世界死亡5200萬人，其中因細(xì)菌傳染引起的死亡為1700萬人?？梢娂?xì)菌等致病性微生物是人類健康的主要?dú)⑹种?。日本?996年發(fā)生全國(guó)范圍的病原性大腸菌O157感染事件后，科研人員與企業(yè)聯(lián)手，積極開發(fā)了一系列無機(jī)銀系抗菌微粉（3m10m），廣泛應(yīng)用于公共場(chǎng)所、衛(wèi)生醫(yī)療、居民住宅。甚至凡是能與手接觸的日常生活用品、生產(chǎn)用具、兒童玩具等都使用了抗菌材料，以防止有害細(xì)菌的感染。材料抗菌的機(jī)理干擾細(xì)胞壁的合成；可損傷細(xì)胞膜；抑制蛋白的合成；干擾核酸的合成。 一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞

9、失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場(chǎng)所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。水域工業(yè)污染污水處理： 將污水中通常含有的有毒、有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等物質(zhì)從水中去除。7.1.4 納米材料在污水處理中的應(yīng)用納米材料在污水處理中的應(yīng)用（1）納米技術(shù)可將污水中的貴技術(shù)完全提煉出來，變廢為寶；（2）納米凈水劑具有很強(qiáng)的吸附和絮凝能力，是普通凈水劑效率的1020倍；（3）通過納米粒

10、子的光催化作用，將有毒水污染物完全礦化或氧化成無毒化合物； 有機(jī)物在光催化體系中的反應(yīng): 在溶氧條件下，在液相中可能引發(fā)上述一系列過程 ,產(chǎn)生多種高反應(yīng)活性的自由基 ，其中以O(shè)H、HO2 等自由基氧化性最強(qiáng)，可以氧化難以被生物轉(zhuǎn)化的各種有機(jī)物并使之礦化。自由基反應(yīng)可使用半導(dǎo)體光催化處理的污染物包括：烷烴、脂肪烴、脂肪羧酸、酚醛、芳香族羧酸、染料、鹵代烴、農(nóng)藥、表面活性劑、重金屬離子等。7.2 儲(chǔ)氫材料一、儲(chǔ)氫材料基本原理二、碳納米管儲(chǔ)氫材料三、納米晶儲(chǔ)氫材料四、儲(chǔ)氫材料的應(yīng)用“過程性能源”：電能“含能體能源”：柴油、汽油一次能源 ：在大多數(shù)情況下不能直接使用，也不能儲(chǔ)存，因此必須將它們轉(zhuǎn)換成可

11、使用的能源形式（電能或熱能），或?qū)⒅眠m當(dāng)?shù)男问絻?chǔ)存起來再加以利用。二次能源能源的分類（l）所有元素中，氫重量最輕。（2）所有氣體中，氫氣的導(dǎo)熱性最好。（3）氫是自然界存在最普遍的元素。（4）除核燃料外，氫的發(fā)熱值是所有化石燃料、 化工燃料和生物燃料中最高的。（5）氫燃燒性能好，點(diǎn)燃快，與空氣混合時(shí)有 廣泛的可燃范圍，而且燃點(diǎn)高，燃燒速度快。（6）氫本身無毒，氫燃燒時(shí)最清潔。（7）氫能利用形式多，既可以通過燃燒產(chǎn)生熱能，在 熱力發(fā)動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生機(jī)械功，又可以作為能源材料用 于燃料電池，或轉(zhuǎn)換成固態(tài)氫用作結(jié)構(gòu)材料。（8）氫可以以氣態(tài)、液態(tài)或固態(tài)的金屬氫化物出 現(xiàn)，能適應(yīng)貯運(yùn)及各種應(yīng)用環(huán)境的不同要求。

12、氫的特點(diǎn)：理想的新的含能體能源。 氫能利用的三個(gè)環(huán)節(jié)：氫氣的發(fā)生與生產(chǎn) 大規(guī)模的廉價(jià)的制氫技術(shù)是各國(guó)科學(xué)家共同關(guān)心的問題。氫的輸送與貯存 安全可靠的氫能的貯存和運(yùn)輸問題也就成為開發(fā)氫能的關(guān)鍵。氫能的利用氣態(tài)儲(chǔ)氫 液態(tài)儲(chǔ)氫 儲(chǔ)氫材料在氫系統(tǒng)能源利用流程圖中，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是如何儲(chǔ)存與輸送氫。三種儲(chǔ)存和輸送方式：氣態(tài)儲(chǔ)氫主要用高壓鋼瓶，儲(chǔ)氫密度低儲(chǔ)氫密度遠(yuǎn)高于氣態(tài)，但是氫氣的液化溫度為，但液化過程需耗費(fèi)大量的能源，也需要用于超低溫的特殊容器，價(jià)格昂貴。儲(chǔ)氫密度與液態(tài)氫相同或更高，安全可靠，是一種較好的儲(chǔ)氫方式。金屬氫化物有機(jī)物儲(chǔ)氫材料吸附機(jī)制儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫材料可分為以下儲(chǔ)存方式：金屬氫化物有機(jī)物儲(chǔ)氫材料吸

13、附機(jī)制儲(chǔ)氫材料（包括C60，碳納米管等）一、儲(chǔ)氫材料基本原理1、金屬氫化物儲(chǔ)氫原理：一些金屬可以固溶氫形成固溶體，當(dāng)氫含量超過一定限度后生成氫化物而把氫儲(chǔ)存起來，再利用氫化物相變的可逆性，在必要時(shí)就可以把儲(chǔ)存的氫放出來加以利用：通過提高溫度或降低壓力條件，使反應(yīng)正向或逆向進(jìn)行即可實(shí)現(xiàn)吸氫或放氫。 儲(chǔ)氫合金一般應(yīng)滿足的要求：1）儲(chǔ)氫量2）吸/放氫壓力和溫度3）動(dòng)力學(xué)特性4）壽命長(zhǎng)，耐中毒5) 易活化6）抗粉化此外，價(jià)格低、安全、滯后小等要求。儲(chǔ)氫合金的粉化 儲(chǔ)氫合金吸氫時(shí)體積會(huì)膨脹，放氫時(shí)又會(huì)收縮，反復(fù)的吸氫、放氫，會(huì)使合金中產(chǎn)生裂紋，直至破碎、粉化，這對(duì)儲(chǔ)氫合金的應(yīng)用是有害的。典型的金屬儲(chǔ)氫材

14、料(一) 稀土系儲(chǔ)氫合金：LaNi5是典型代表。吸氫特性好，價(jià)高。(二)鈦系儲(chǔ)氫合金：代表有鈦鐵系和鈦錳系。吸氫和放氫速度快，但有嚴(yán)重的滯后。 (三)鎂系儲(chǔ)氫合金：Mg2Ni2合金。價(jià)格低廉，吸氫量大，但難以活化。（四）鋯系儲(chǔ)氫合金：以ZrV2、ZrCr2、ZrMn2為代表。具有吸氫量高，與氫反應(yīng)快，易活化，沒有滯后效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，但其氫化物生成熱較大，吸氫平臺(tái)過低，價(jià)格較貴。（五）非晶態(tài)金屬：某些非晶態(tài)合金比晶態(tài)合金能多吸收約35的氫氣，這是由于非晶態(tài)合金內(nèi)包含大量晶格缺陷所致。氫與一些不飽和烴加成生成含氫更多的烴，將氫寄存其中。例如，C7H14為液體燃料，加熱又可釋放出氫，可視為液體儲(chǔ)氫材料。

15、氫可與氮生成氮的含氫化合物氨、肼等，它們既是人造燃料，也是氫的寄存化合物?；蚩梢耘鸷凸璧臍浠飪?chǔ)氫，有些硼氫化合物還可通過分解釋放出氫氣。2、有機(jī)物儲(chǔ)存儲(chǔ)氫原理： 氫與許多非金屬元素或化合物作用，生成各種含氫化合物，可作為人造燃料或氫能的儲(chǔ)存材料。 氫可與CO催化反應(yīng)生成烴和醇，這些反應(yīng)釋放熱量和體積收縮，加壓和低溫有利于反應(yīng)的進(jìn)行。在高性能催化劑作用下完成反應(yīng)的壓強(qiáng)逐漸降低，從而降低了成本。 甲烷、甲醇既可替代汽油作內(nèi)燃機(jī)燃料，也可摻兌在汽油中供汽車使用。它們的儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用都十分方便。甲醇還可脫水合成烯烴，制成人造汽油：借助不飽和液體有機(jī)物與氫的一對(duì)可逆反應(yīng)：（即加氫反應(yīng)和脫氫反應(yīng)）加氫

16、反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的儲(chǔ)存（化學(xué)鍵合），脫氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)氫的釋放。不飽和有機(jī)液體化合物做儲(chǔ)氫劑可循環(huán)使用。有機(jī)液體氫化物儲(chǔ)氫示意圖：有機(jī)液體儲(chǔ)氫的優(yōu)點(diǎn)：第一，儲(chǔ)氫量大。苯和甲苯的理論儲(chǔ)氫量分別為7.19 %和6.18 % ，比傳統(tǒng)的金屬氫化物（儲(chǔ)氫量多為(1. 53. 0%)、高壓壓縮（普通鋼瓶在20MPa下僅能儲(chǔ)氫1 . 6 %左右)的儲(chǔ)氫量大得多。第二，儲(chǔ)氫劑和氫載體的性質(zhì)與汽油相似，儲(chǔ)存、運(yùn)輸、維護(hù)保養(yǎng)安全方便。特別是儲(chǔ)存設(shè)施的簡(jiǎn)便是傳統(tǒng)儲(chǔ)氫技術(shù)難以比擬的。第三，可多次循環(huán)使用，壽命長(zhǎng)達(dá)20年。第四，加氫反應(yīng)放出大量的熱，可供利用。 機(jī)制：氫分子吸附在具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨等材料表面。雖然儲(chǔ)氫量低于儲(chǔ)氫合

17、金，但如果將碳制成納米結(jié)構(gòu)的碳材料，其儲(chǔ)氫特性會(huì)有很大的變化。3、吸附存儲(chǔ)各種結(jié)構(gòu)的碳二、碳納米管儲(chǔ)氫材料 對(duì)各種物理吸附劑的實(shí)驗(yàn)測(cè)定表明：最好的儲(chǔ)氫吸附劑是碳基材料。碳吸附材料對(duì)于少量的氣體雜質(zhì)不敏感，且可重復(fù)使用，理論壽命是無限的。 碳基儲(chǔ)氫材料的要求： 儲(chǔ)氫密度高、高比表面積和低溫吸附。因?yàn)閺奈綑C(jī)理看，在超臨界條件下，氣體在固體表面上只能發(fā)生單分子層吸附。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：只有孔寬度小于的孔才是有效的儲(chǔ)存空間。具有商用價(jià)值的吸附儲(chǔ)氫材料是高比表面積的超級(jí)活性炭和活性碳纖維，它們具有豐富的微孔。從這個(gè)角度看，超級(jí)活性炭也是碳納米材料。 活性炭微孔對(duì)于氫分子的吸附作用可用兩個(gè)相對(duì)的石墨微晶表

18、面形成的狹縫模型表示。在穩(wěn)定狀態(tài)下，氣體分子只能停留在勢(shì)阱最深處。因此，在固體表面上只能有一層吸附分子。這意味著吸附量與比表面積成正比，所以儲(chǔ)氫吸附劑必須具有高比表面積。作為物理吸附，飽和吸附量是溫度的函數(shù)。由于氣體分子的動(dòng)能隨溫度降低而成指數(shù)規(guī)律地下降，所以飽和吸附量呈指數(shù)規(guī)律上升。這就是采用低溫吸附的原因。具有儲(chǔ)氫功能的碳納米管碳納米材料的儲(chǔ)氫研究進(jìn)展1991年 5月 ,日本發(fā)現(xiàn)了碳納米管，由此揭開了對(duì)一維碳納米材料的廣泛研究。而這種碳納米材料有望為儲(chǔ)氫提供一條有效的途徑。1995年 , 報(bào)道了碳納米纖維的吸附熱和亨利系數(shù)隨著吸附質(zhì)分子尺寸的少量減少而迅速增大的結(jié)果 ,這與常規(guī)活性炭的吸附

19、特性正好相反。因此表明碳納米纖維有可能對(duì)小分子氫顯示超常吸附。 1997年 , 報(bào)道了單壁碳納米管對(duì)氫的吸附量比活性炭大的多 ,其吸附熱也約為活性炭的 5倍。發(fā)現(xiàn)在 12和室溫的條件下魚骨狀的碳納米纖維的氫吸附率可高達(dá)2 3 .3 3/。1999年C等報(bào)道使用不同金屬摻雜的碳納米管作為吸附劑 ,在 653下 ,獲得 2 0/ %的吸附率。我國(guó)學(xué)者最近發(fā)表的報(bào)告表明 ,碳納米纖維儲(chǔ)氫的吸附率可達(dá)到 / %,單壁碳納米管在常溫 , 1 2壓力下的儲(chǔ)氫密度為 / %,碳納米纖維在同樣條件下的儲(chǔ)氫密度最高達(dá) 1 3 .6/ %。 SWNT所吸收的氫可以在室溫附近或較高的溫度下放出，如用直流電弧放電法制得的SWNT在，273K時(shí)吸氫量可達(dá)5wt-10wt。 用C2H2-H2為原料制得的MWNT在室溫、10Mpa下的吸氫量為。 利用Li、K的化