納米微粒作催化劑的研究進(jìn)展

納米微粒作催化劑的研究進(jìn)展

0納米材料的研究納米出現(xiàn)的重要科學(xué)意義在于它為人們提供了了解自然的新水平。這是知識(shí)創(chuàng)新的亮點(diǎn)。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象,提出新概念,認(rèn)識(shí)新規(guī)律,建立新理論,為構(gòu)建納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ)。材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了納米材料具有一系列的特異效應(yīng)(如:小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等),因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒(méi)有的一些特別性能,從而使納米材料己獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。1性能全面化應(yīng)用納米材料由于其產(chǎn)生的特殊效應(yīng),因而具有常規(guī)材料所不具備的性能,使得其在各個(gè)方面的潛在應(yīng)用極為廣泛。對(duì)于納米材料及其應(yīng)用前景的研究工作已經(jīng)不再局限于單一學(xué)科與單一研究方法,而是多學(xué)科和多種研究方法的綜合利用。1.1納米粒子催化劑納米微粒作催化劑是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。納米顆粒具有很高的比表面積,表面原子配位不全表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同等特點(diǎn),導(dǎo)致表面的活性位置增加,使納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。有關(guān)納米粒子表面形態(tài)的研究指出,隨著納米粒子的粒徑的減小,微粒表面的光滑程度變差,凹凸不平的原子臺(tái)階逐步形成,能夠大大增加反應(yīng)物料在其表面的接觸機(jī)會(huì)。利用上述特性,可將納米粒子進(jìn)一步加工成具有化學(xué)催化、光催化和熱催化性能的納米催化劑。納米微粒作催化劑可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率及反應(yīng)速度、決定反應(yīng)路徑、有優(yōu)良的選擇性和降低反應(yīng)溫度。起化學(xué)催化作用的納米粒子催化劑主要有3種類型。一是直接用金屬納米粒子作催化劑。該類催化劑以貴金屬(Ag,Pd,Pt,Rh等)的納米粉末為主,Fe,Co,Ni等賤金屬納米粉末也得到了一定應(yīng)用。一些金屬納米粒子作為催化劑時(shí),除了提高反應(yīng)速率外,還具有良好的選擇性,并且這種選擇性與納米粒子的顆粒度有關(guān)。二是將金屬納米粒子負(fù)載到多孔性載體上作催化劑?？梢詫⒍喾N金屬納米粒子同時(shí)負(fù)載或制成復(fù)合金屬納米粒子后負(fù)載到同一載體上,能夠進(jìn)一步增加催化劑的選擇性。目前,此類催化劑是應(yīng)用最多的納米粒子催化劑。三是用有關(guān)化合物的納米粒子作為催化劑,如將MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物納米粒子加入到煤、油等燃料后,對(duì)煤、油等燃料的燃燒有很好的催化助燃作用,同時(shí)不會(huì)增加尾氣中的硫含量。除化學(xué)催化作用以外,半導(dǎo)體納米粒子的光催化作用已經(jīng)引起人們的廣泛重視并在催化降解有機(jī)物等方面得到了一定應(yīng)用。半導(dǎo)體納米粒子在光的照射下,其價(jià)帶電子可以躍遷到導(dǎo)帶,價(jià)帶的空穴能夠把周圍有機(jī)物中的一些電子奪過(guò)來(lái),使有機(jī)物中的部分短鏈基團(tuán)變成自由基,作為強(qiáng)氧化劑而使酯類、醇類、醛類和酸類有機(jī)物發(fā)生一系列變化,最終降解為CO2。半導(dǎo)體納米粒子的粒徑越小,光生載流子越容易通過(guò)擴(kuò)散而從粒子內(nèi)部遷移到表面,光催化性能越好。將半導(dǎo)體納米粒子做成空心小球,使其浮于水面上,利用太陽(yáng)光對(duì)廢水中的有機(jī)物、海面上泄漏的石油等進(jìn)行降解已經(jīng)得到應(yīng)用。另外,TiO2納米粉在光催化分解污水中的有機(jī)毒物、Y2O3、Eu3+納米發(fā)光粉末在熒光燈,等離子體顯示平板等眾多方面,納米發(fā)光材料使產(chǎn)品的性能獲得更為顯著的改進(jìn)。特別是半導(dǎo)體硫化物納米發(fā)光粒子在發(fā)光材料、非線性光學(xué)材料、光敏感傳感器材料、光催化材料等方面均具有更為廣闊的應(yīng)用前景。1.2生物材料的應(yīng)用(1)納米生物傳感器的應(yīng)用納米生物學(xué)用來(lái)研究在納米尺度上的生物過(guò)程,從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。如在金屬鐵的超細(xì)顆粒表面覆蓋一層厚為5~20nm的聚合物后,可以固定大量蛋白質(zhì),特別是酶,從而控制生化反應(yīng)。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。使納米技術(shù)和生物學(xué)相結(jié)合,研究分子生物器件,利用納米傳感器,可以獲取細(xì)胞內(nèi)的生物信息,從而了解機(jī)體狀態(tài),深化人們對(duì)生理及病理的解釋。以納米尺寸去認(rèn)識(shí)生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及功能的聯(lián)系,按人類的意愿進(jìn)一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于納米技術(shù)的運(yùn)用而變得更加可控,人類可以自己控制所需要的生物產(chǎn)品,農(nóng)、林、牧、副等行業(yè)以及人類的食品結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生重要變革,用納米生物工程、納米化學(xué)工程合成的“食品”將極大豐富食品的數(shù)量和種類。(2)納米粒子治療控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療,是健康醫(yī)學(xué)的要求。將超微粒子注入到血液中,輸送到人體的各個(gè)部位,作為檢測(cè)和診斷疾病的手?jǐn)??？蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離;用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療,以減少副作用。由于納米材料比紅血球(6~9μm)小得多,可以在血液中自由運(yùn)動(dòng),因此可以注人各種對(duì)機(jī)體無(wú)害的納米粒子到人體的各個(gè)部位,檢查病變和進(jìn)行治療(如納米Au)。納米粒子不但具有能穿過(guò)組織間隙被細(xì)胞吸收、并可通過(guò)人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過(guò)血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射等多種給藥途徑等許多優(yōu)點(diǎn),因而使其在藥物輸送方面具有廣闊的應(yīng)用前景。(3)納米藥物的應(yīng)用將納米顆粒壓成薄片制成過(guò)濾器,其過(guò)濾孔徑為納米量級(jí),在醫(yī)療工業(yè)中可用于血清消毒(引起人體發(fā)病的病毒尺寸一般為幾十納米)。納米材料具有優(yōu)異的吸附性能,可用作微生物吸附和選擇分離的功能材料。并且納米金屬粉末還是制備動(dòng)物生長(zhǎng)素藥物的添加劑。利用納米技術(shù)將中藥材制成極易被人體吸收的納米粒子口服膠囊、口服液或膏藥,不但克服了中藥在煎熬過(guò)程中有效成分的損失及口感上的不足,而且可使有效成分吸收率大幅度提高。將制成的納米中藥膏直接貼于患處,納米粒子很容易經(jīng)皮膚直接被吸收。研發(fā)納米中藥產(chǎn)品是促進(jìn)中藥走向世界、提高產(chǎn)品附加值、實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)中藥產(chǎn)業(yè)升級(jí)的發(fā)展方向之一。用納米技術(shù)將不易被人體吸收或毒性較大的藥物或保健品制成納米膠囊或納米粒子懸浮液,則可制得前景可觀的納米保健品。一些具有生物活性的納米材料,還可用于人造骨、人造牙、人造人體器官等。1.3納米技術(shù)及材料的應(yīng)用納米材料的控制污染源方面可起到關(guān)健性的作用。主要體現(xiàn)在它降低能源消耗和有毒物質(zhì)的使用;減少水資深消耗;減少?gòu)U物的產(chǎn)生;治理環(huán)境污染物及大氣污染。(1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、異味污染物、細(xì)菌、病毒等。傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問(wèn)題,納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用可以徹底解決這一問(wèn)題。納米材料在環(huán)保中的應(yīng)用主要與納米粒子的化學(xué)催化和光催化特性有關(guān)。除已經(jīng)提到的光催化降解廢水的納米材料以外,另有許多納米材料可以用來(lái)治理有害氣體和廢水,并已走出實(shí)驗(yàn)室而進(jìn)入實(shí)用階段。利用納米TiO2表面具有超親水性和超親油性的特點(diǎn),在玻璃表面涂覆納米TiO2可以制成自清潔外墻玻璃,具有防污、防霧、易洗、易干、自清潔等功能。它的出現(xiàn)使玻璃具有了自納米凈水劑的超強(qiáng)吸附和絮凝能力將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來(lái),然后使水通過(guò)由納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭組成的凈化裝置,除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等污染物,再使水通過(guò)由納米孔徑的水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝成的過(guò)濾裝置,可以將水中的細(xì)菌、病毒幾乎100%去除,得到完全可以飲用的高質(zhì)量純凈水。(2)在大氣污染的治理方面。大氣污染一直是各國(guó)政府需要解決的難題。納米技術(shù)及材料的應(yīng)用將會(huì)為我們解決大氣污染問(wèn)題提供全新的途徑。工業(yè)生產(chǎn)和汽車使用的汽油、柴油等,在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生二氧化硫氣體,這是二氧化硫最大的污染源。納米鈦酸鈷是一種非常好的石油脫硫催化劑,經(jīng)它催化的石油中硫的含量達(dá)到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。煤燃燒也會(huì)產(chǎn)生二氧化硫氣體,如果在燃燒的同時(shí)加入一種納米級(jí)助燒催化劑,不僅可以使煤充分燃燒,而且會(huì)使硫轉(zhuǎn)化成固體的硫化物,而不產(chǎn)生二氧化硫氣體。復(fù)合稀土化物的納米級(jí)粉體具有極強(qiáng)的氧化還原性能,是其它任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可徹底解決汽車尾氣的污染問(wèn)題。新裝修房間的空氣中有機(jī)物濃度高于室外,甚至高于工業(yè)區(qū),目前已從空氣中鑒定出幾百種有機(jī)物質(zhì),其中有些是致癌物。研究表明,納米二氧化鈦可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果幾乎可達(dá)到100%。以55~70nm的CoTiO3負(fù)載到多孔硅膠或A12O3陶瓷載體上制成的石油脫硫催化劑可用于煉油脫硫工藝,催化效率很高,催化后石油中硫的含量可小于0.01%;納米Zr0.5Ce0.5O2粉體負(fù)載到活性炭上,因其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Cr3+電對(duì),具有極強(qiáng)的電子得失能力,在氧化CO的同時(shí)能夠還原NOx,使它們轉(zhuǎn)化為對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害的CO2和N2氣體,這種催化劑已經(jīng)用于汽車尾氣凈化裝置;納米TiO2能夠降解空氣中的有機(jī)物、殺菌除臭并在殺死細(xì)菌的同時(shí),降解由細(xì)菌釋放出的有毒物質(zhì)。(3)城市固體垃圾處理方面的應(yīng)用將納米技術(shù)及材料應(yīng)用與城市固體垃圾處理,主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末,除去其中的異物,成為再生原料回收;另一方面,可以應(yīng)用納米二氧化鈦加速城市垃圾的降解,其降解速度是大顆粒二氧化鈦的10倍以上,從而可以緩解大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。1.4材料的應(yīng)用(1)納米陶瓷的制備普通的陶瓷材料都是通過(guò)高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的,納米材料因粒徑小、熔點(diǎn)低以及相變溫度低等特征,添加納米顆粒使常規(guī)陶瓷的綜合性能得到改善。納米陶瓷具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能,抗彎強(qiáng)度,斷裂韌性均有顯著提高。故在低溫低壓下就可作為原料制備質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷,它具有堅(jiān)硬、耐磨、耐高溫及耐腐蝕的性能。比如把納米氧化鋁與二氧化鋯進(jìn)行混合,已獲得高韌性的陶瓷材料,燒結(jié)溫度可降低100℃。此外,納米陶瓷的高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應(yīng)等,都將成為材料開拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域。納米粉體也可使陶瓷改性,因?yàn)榧{米顆粒表面積大,擴(kuò)散速度快,因而燒結(jié)時(shí)致密化速度快,燒結(jié)溫度低。在粗晶粉體中加入納米Al2O3可提高Al2O3的致密度和耐熱疲勞性;把Al2O3與ZrO2納米粉混合后,可得到高韌性的陶瓷材料,并使燒結(jié)溫度降低100℃;再如,美國(guó)Argonne實(shí)驗(yàn)室Siegel等人用惰性氣體蒸發(fā),原位加壓制備了納米TiO2陶瓷,致密度達(dá)到95%。在同樣的燒結(jié)溫度下,納米陶瓷的硬度比普通陶瓷高,而對(duì)應(yīng)相同的硬度,納米陶瓷的燒結(jié)溫度可降低幾百攝氏度。(2)加快燒結(jié)過(guò)程,提高燒結(jié)效率納米材料的體積效應(yīng)使得通常在高溫?zé)Y(jié)的材料,如SiC、WC和BC等,在較低溫度下就可獲得高密度的燒結(jié)體。此外,由于納米微粒的粒徑小,比表面大具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性好、擴(kuò)散速率高以及燒結(jié)收縮大等特性,使其又可作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用,可降低燒結(jié)溫度、縮短燒結(jié)時(shí)間和加快致密化的速度,從而加速燒結(jié)過(guò)程。從應(yīng)用的角度,發(fā)展高性能納米陶瓷最重要的是降低納米粉體的成本。在制備粉體的工藝上,除了保證納米粉體的質(zhì)量,做到尺寸和分布可控,無(wú)團(tuán)聚,能控制顆粒的形狀,還要求生產(chǎn)量大,這將為發(fā)展新型納米陶瓷奠定良好的基礎(chǔ)。(3)標(biāo)記生物反應(yīng)器21世紀(jì)是生命與信息科學(xué)的世紀(jì),而生物芯片無(wú)疑是這一世紀(jì)迅速發(fā)展最熱點(diǎn)的前沿領(lǐng)域之一。生物芯片是在多種固定化載體上刻蝕具有多種性能的生物反應(yīng)器。大多數(shù)特異性生物芯片都要使用標(biāo)記物。目前使用最多的是發(fā)光標(biāo)記物,其中納米粒子發(fā)光標(biāo)記物具有更高的量子產(chǎn)率,更長(zhǎng)的發(fā)光壽命,而且性能穩(wěn)定。在標(biāo)記生物大分子,生物芯片研究中納米發(fā)光材料的使用已取得了顯著成效。同時(shí),免疫標(biāo)記技術(shù)與傳統(tǒng)的酶標(biāo)和熒光技術(shù)相比,不僅有極高的靈敏度而且該標(biāo)記技術(shù)簡(jiǎn)單,光譜信息豐富,在免疫分析中有廣闊的應(yīng)用前景。(4)磁性納米材料磁記錄材料一種趨勢(shì)磁記錄是信息儲(chǔ)存與處理的重要手段,隨著信息化的高速發(fā)展,要求記錄密度日益提高。磁性納米材料因具有單磁疇結(jié)構(gòu),矯頑力很高,故用它作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖象質(zhì)量。高矯頑力的強(qiáng)磁性納米材料還可以制成磁性信用卡、磁性票證及磁性鑰匙等。(5)磁性材料由于納米材料的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行,即使不磁化也是永久性磁體,因此可用作永磁性材料。(6)分散體系的穩(wěn)定性磁流體是將強(qiáng)磁性納米粒子穩(wěn)定地分散于水或油等分散介質(zhì)中所形成的分散體系,它在通常的重力場(chǎng)和磁場(chǎng)作用下不發(fā)生凝聚和沉降。磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性,在工業(yè)廢液處理方面有一定的實(shí)用價(jià)值。1.5建筑領(lǐng)域的應(yīng)用(1)樹脂基納米復(fù)合材料納米塑料是指金屬、非金屬和有機(jī)填充物,以納米尺寸分散于樹脂基體中形成的樹脂基納米復(fù)合材料。在樹脂基納米復(fù)合材料中,分散相的尺寸至少在一維方向上小于100nm。由于分散相的納米尺寸效應(yīng)、大的比表面積和強(qiáng)界面結(jié)合,使納米塑料具有一般工程塑料所不具備的優(yōu)異性能。(2)建筑涂料隨著建筑業(yè)的高速發(fā)展,對(duì)建筑涂料的性能要求也越來(lái)越高,而納米材料對(duì)涂料的很多性能起到了明顯的改善作用。(3)硬度、耐磨性能、熱穩(wěn)定性能樹脂基復(fù)合材料具有重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),但硬度、耐磨性能、耐熱性能較差。通過(guò)超聲分散方法將納米SiO2添加到不飽和聚酯樹脂中制得的復(fù)合材料,可大幅提高耐磨性、硬度、強(qiáng)度、耐熱和耐水性能。1.6納米涂層材料特性納米材料制備的涂層具有特有的優(yōu)異性能。在涂料中加入納米材料,可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)防紫外線輻射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。已有美國(guó)的研究人員用納米級(jí)二氧化錫、二氧化鈦、三氧化二鉻等與樹脂復(fù)合,作為靜電屏蔽的涂層;在標(biāo)牌上使用納米材料涂層,可利用其光學(xué)特性,達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品中,如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料,可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果,產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料,加入涂料中,可使抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景,將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命,也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng)用。1.7超分辨率納米雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)納米技術(shù)的發(fā)展,使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密,在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面,使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上,可使其能力提高10倍至幾百倍,甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。納米材料由于具有特殊的光學(xué)性能,可作為非線性光學(xué)材料、特異吸光材料、軍事航空中用的吸波隱身材料等。如用納米微粒制成的光纖材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗;紅外線反射膜和多層膜材料可用于節(jié)能方面;優(yōu)異的光吸收可提高使用壽命、防止塑料老化、防止油漆脫落等。納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段,按照全新的理念來(lái)構(gòu)造電子系統(tǒng),并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力,實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破,納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。1.8靜電屏蔽涂料具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性,因而能起到良好的靜電屏蔽作用。同時(shí)納米微粒的顏色不同,這樣還可以控制靜電屏蔽涂料的顏色?？朔颂己陟o電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。化纖衣服和化纖地毯由于靜電效應(yīng),容易吸附灰塵,危害人體健康。在其中加入少量金屬納米微粒,就會(huì)使靜電效應(yīng)大大降低,同時(shí)還有除味殺菌的作用。1.9納米陶瓷及其熱壓納米材料還可用作新型焊接材料。我們知道很多陶瓷部件是在高溫環(huán)境下使用的,目前所采用的幾種陶瓷焊接工藝根本無(wú)法保證其高溫強(qiáng)度。若采用納米陶瓷進(jìn)行焊接,利用其低溫?zé)Y(jié)及快速擴(kuò)散等特點(diǎn),可以將兩個(gè)陶瓷部件很好地連為一體。而且若選擇的納米陶瓷與所焊部件成分相同或相近,則可有效地保證其高溫強(qiáng)度。納米金屬粉末也同樣可以應(yīng)用于機(jī)械制造、儀器儀表、微電子工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域中對(duì)部件進(jìn)行整體焊接。由于納米微粒熔點(diǎn)很低,可有效地降低焊接溫度,保證部件在焊接過(guò)程中不發(fā)生變形。1.10太陽(yáng)能電池的前景展望和展望合理利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)新能源是一項(xiàng)長(zhǎng)期和重要的任務(wù)。近年來(lái)開發(fā)的可用于煤和油料燃燒的納米凈化劑、助燃劑以及利用納米技術(shù)提取粉煤灰中的有用物質(zhì)的工作都已獲得初步結(jié)果,并可望盡快得到產(chǎn)業(yè)化。在納米半導(dǎo)體材料表面負(fù)載貴金屬、金屬氧化物或在半導(dǎo)體表面修飾染料、導(dǎo)電高聚物等能使光分解水(H2O→H2+O2)的效率成倍增加,將對(duì)太陽(yáng)能的光化學(xué)存貯起巨大的推動(dòng)作用。利用半導(dǎo)體納米材料制備光電轉(zhuǎn)化效率極高,即使在陰雨天也能正常工作,使新型太陽(yáng)能電池取得重大進(jìn)展。大量研究表明,除了納米晶TiO2光伏電池外,其它如ZnO、Ag2O、SnO2、WO3、Fe2O3等單一氧化物和CdSe等單一硒化物納米晶光伏電池也表現(xiàn)出非常出色的光電轉(zhuǎn)換特征。1.11在其他方面的應(yīng)用21世紀(jì)的信息社會(huì)要求記錄材料高性能化和高密度化,而納米微粒能為這種高密度記錄提供有利條件。磁性納米微粒由于尺寸小,具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性,用它制作磁記錄材料可以提高信噪比,改善圖象質(zhì)量,還可制成磁性信用卡、磁性鑰匙、磁性車票等。將磁性納米微粉通過(guò)界面活性劑均勻分散于溶液中制成磁流體,在宇航、磁制冷、顯示及醫(yī)藥中已廣泛應(yīng)用。研究表明,Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Cr等納米結(jié)構(gòu)的多層模具有顯著的巨磁阻效應(yīng)(GMR),即在一定的磁場(chǎng)下,物質(zhì)(金屬或合金)的電阻急劇減小的現(xiàn)象。IBM公司早在1994年就研制出巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭,使磁盤記錄密度提高了17倍。以巨磁阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件可用于讀出磁頭、磁存儲(chǔ)、磁記憶等方面。由磁性納米棒組成的“量子磁盤”的記錄密度可達(dá)62Gb/cm2,極限磁記錄理論值可達(dá)930Gb/cm2。1.12在行業(yè)中的應(yīng)用納米材料作為功能材料與產(chǎn)業(yè)技術(shù)的結(jié)合,具有很多潛在的應(yīng)用價(jià)值。(1)單電子晶體的誕生當(dāng)電子器件進(jìn)入納米尺寸時(shí),量子效應(yīng)十分明顯,因此,納米材料應(yīng)用在電子器件上,會(huì)出現(xiàn)普通材料所不能達(dá)到的效果。1993年,《自然》雜志的副主編曾預(yù)言“以單電子隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的單電子晶體管可能誕生在下一世紀(jì)的初葉”。他的預(yù)言發(fā)表后2年,日本率先在實(shí)驗(yàn)室研制成功納米結(jié)構(gòu)的三極管。繼之,美國(guó)的普度大學(xué)也在實(shí)驗(yàn)室研制成功納米結(jié)構(gòu)的晶體管。1995年,超低功耗和高集成的納米結(jié)構(gòu)單電子三極管在美國(guó)研制成功,使人類進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到納米結(jié)構(gòu)的研究對(duì)下一代量子器件的誕生起著至關(guān)重要的作用。隨著納米材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,在信息領(lǐng)域,20世紀(jì)最廣泛的微電子將要轉(zhuǎn)換為21世紀(jì)的納米電子,因此在這方面的研究,將是最熱門的課題之一。(2)傳感器的工作原理納米粒子的高比表面積、高活性使之在傳感器方面成為最有前途的材料。外界環(huán)境(如溫度、光、濕度等)的改變會(huì)迅速引起材料表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子輸運(yùn)的變化,利用其電阻的顯著變化可以制成傳感器,而且響應(yīng)速度快,靈敏度高。20世紀(jì)80年代初,日本已研制出SnO2納米薄膜傳感器,納米陶瓷材料用于傳感器也具有很大潛力。(3)抗菌、除臭及保護(hù)裝置由納米TiO2與活性Ag+制成的納米抗菌劑具有強(qiáng)的吸附性和催化性,細(xì)菌一旦接觸其表面便被牢牢吸住,Ag+快速進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)部,發(fā)生生化反應(yīng),使蛋白質(zhì)變性,抑制細(xì)菌生長(zhǎng)。再利用納米TiO2的光催化作用釋放活性氧,殺滅細(xì)菌。這種抗菌劑抑菌率可達(dá)90%以上,抗菌效果可達(dá)10~20年。將其應(yīng)用于冰箱的內(nèi)部塑料及洗衣機(jī)的滾筒中,可使它們的自我抑菌除臭以及自我保潔功能顯著增強(qiáng)。由于納米材料的比表面積大,表面能高,表面活性強(qiáng),且均分布在高分子空隙中,與高分子樹脂間結(jié)合力強(qiáng),從而提高了增強(qiáng)塑料和陶瓷(如納米CaF2和TiO2)的抗拉伸強(qiáng)度、抗沖擊強(qiáng)度和表面硬度,使它們的機(jī)械強(qiáng)度大大提高。納米材料的運(yùn)用可使許多產(chǎn)品改頭換面,比如傳統(tǒng)的彩電等家用電器一般都是黑色的,這是因?yàn)橐脴渲犹亢趤?lái)進(jìn)行靜電屏蔽,現(xiàn)在,Fe2O3、TiO2等納米涂料既有屏蔽作用,又有不同色彩,從而克服了用炭黑靜電屏蔽只有單一顏色的局限性。汽車制造業(yè)中,車身若采用納米復(fù)合材料,則車身抗沖擊強(qiáng)度和安全系數(shù)比普通鋼板車身高出幾倍。1.13透明膠片的制作我國(guó)的一些文物(如秦兵馬俑)遭受霉菌侵?jǐn)_而受到損害,最新的納米成果將對(duì)其加以保護(hù),使其永葆青春。西北大學(xué)納米材料研究所利用溶膠與凝膠相結(jié)合的方法把新研制成的納米材料制成一種透明的膠體,涂在文物表面后可形成一種“無(wú)機(jī)膜”,使文物完全與外界條件隔絕,有利于文物的長(zhǎng)期保護(hù)。這種納米材料可以吸收紫外線,保護(hù)文物的顏色不變,材質(zhì)不腐壞,還可有效地排除蟲菌對(duì)文物的侵蝕。這種納米“無(wú)機(jī)膜”除了對(duì)陶質(zhì)文物可進(jìn)行有效保護(hù)外,還可用于絲綢和書畫等文物的保護(hù)。1.14納米吸波材料的開發(fā)人類已進(jìn)入二十一世紀(jì),在不斷提高個(gè)人的素質(zhì)、改善生活質(zhì)量的過(guò)程中,一個(gè)不容忽視的問(wèn)題是環(huán)境問(wèn)題?！叭龔U”及噪音的危害很早就為人類所認(rèn)識(shí),并進(jìn)行了大量的研究,取得了一定的成果。如今,隨著電子技術(shù)的發(fā)展,各種電器在人們的生活中日益普及,由此引發(fā)的電磁輻射給人體的健康帶來(lái)了意想不到的危害。因此,研制開發(fā)用于個(gè)人防護(hù)的吸波材料已成為當(dāng)前一個(gè)迫不及待的任務(wù),而納米吸波材料無(wú)疑將成為一大熱點(diǎn)。若能研制成以納米吸波材料制成的服裝,將滿足人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)吸波材料的要求以及防護(hù)服時(shí)裝化的要求。1.15復(fù)合劑與納米涂膜抹布、瓷磚、磁卡,化纖制品、紡織品、冰箱、洗衣機(jī)、餐具中添加納米微粒,可以除味殺菌。用摻入納米微粒的水泥、混凝土建成樓房,可以吸收、降解汽車尾氣;化纖布料加入少量的金屬納米微粒就可以擺脫因摩擦而引起的靜電現(xiàn)象。食品制造采用納米技術(shù),可以幫助我們提高腸胃吸收能力;將天然花粉超細(xì)粉碎后,營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)得以釋放,作為添加劑可以制成高價(jià)值保健品;被廢棄的蝦蟹殼、蛋殼及各類動(dòng)物骨頭等超細(xì)粉碎后,是良好的有機(jī)鈣添加劑。使用納米微粒的燈泡,可以提高發(fā)光效率;納米管元件組裝的計(jì)算機(jī)將替代現(xiàn)今的“巨型”計(jì)算機(jī)。在防曬護(hù)膚品中添加納米級(jí)ZnO、TiO2有很好的護(hù)膚美容作用,其防紫外線效果優(yōu)于有機(jī)防曬劑。目前日本已開發(fā)出了化妝品用紫外線屏蔽劑。用Ag等納米粒子制成的抗菌、除臭復(fù)合劑粉,具有光譜殺菌、除臭功能,并可長(zhǎng)時(shí)間使用。納米材料自從被人們所認(rèn)識(shí),就與應(yīng)用緊密聯(lián)系在一起。納米粒子的特殊效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料的特殊性質(zhì),而這些特殊性質(zhì)帶來(lái)了納米材料的廣泛應(yīng)用。目前,納米材料已經(jīng)在催化、環(huán)保、能源行業(yè)以及新型工程、磁性和防護(hù)材料的制備等方面得到了一定的應(yīng)用。納米科技與電子學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和軍事科學(xué)等學(xué)科的交叉滲透,產(chǎn)生了諸如納米電子學(xué)、納米醫(yī)學(xué)等傳統(tǒng)學(xué)科前冠以納米前綴的新學(xué)科,為納米材料展現(xiàn)更為廣闊的應(yīng)用前景。但仍有許多問(wèn)題有待進(jìn)一步探索和解決,如納米材料的微觀結(jié)構(gòu)特征,還需作深入細(xì)致的研究和確證;納米材料制備過(guò)程中的結(jié)構(gòu)控制及性能確定等方面也有許多工作要做,這都是納米技術(shù)實(shí)行工業(yè)化應(yīng)用的基礎(chǔ)。我們深信,納米材料作為一門新興科學(xué)必將對(duì)人類生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2納米顆粒的制備從Gleiter等(1951)首次應(yīng)用惰性氣體凝聚(IGC)結(jié)合原位冷壓成型法(In-situCom-Paction)在實(shí)驗(yàn)室制備出納米晶體樣品以來(lái),又提出和發(fā)展了機(jī)械研磨法,非晶態(tài)晶化法,電沉積法等許多種制備方法。納米材料的制備在當(dāng)前材料科學(xué)研究中占據(jù)極為重要的位置,新的材料制備工藝和過(guò)程的研究對(duì)納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能具有重要的影響。制備出清潔、成分可控、高密度(不含微孔隙)的粒度均勻的納米材料是制備合成工藝研究的目標(biāo)。因此,如何控制及減少納米材料尤其是界面的化學(xué)成分及均勻性、以及如何控制晶粒尺寸分布是制備工藝研究的主要課題。對(duì)納米材料的制備方法目前主要有三種分類方法。第一種是根據(jù)制備原料狀態(tài)分為固體法、液體法及氣體法。第二種按反應(yīng)物狀態(tài)分干法和濕法。第三種為物理法和化學(xué)法兩大類。其中物理法包括惰性氣體蒸發(fā)法、爆炸法、嚴(yán)重塑性變形法、激光束法、機(jī)械合金化法等;化學(xué)法包括氣相燃燒合成法、溶膠-凝膠法、有機(jī)液相合成法等。2.1物理方法(1)以氣體加熱或蒸發(fā)目前,大部分金屬納米粒子都是通過(guò)惰性氣體蒸發(fā)法制得的,該法的主要過(guò)程是在真空蒸發(fā)室內(nèi)充入惰性氣體,然后對(duì)蒸發(fā)源進(jìn)行真空加熱、蒸發(fā),使原料氣化或形成等離子體,原料氣體與惰性氣體原子碰撞失去能量而驟冷成納米尺寸的團(tuán)簇。該法制備的納米材料純度主要是由原料純度、真空度、氣體濃度和純度決定的,工藝過(guò)程中,無(wú)外來(lái)污染,反應(yīng)速度快,結(jié)晶較好,不足之處是對(duì)設(shè)備要求高,投入較大。(2)爆第三十聚納米級(jí)金剛石的合成將高能炸藥(TNT)置于密閉壓力容器內(nèi),將容器抽成真空,再充入保護(hù)性氣體。炸藥爆轟發(fā)生分解反應(yīng)生成游離碳,在爆轟產(chǎn)物高溫和高壓作用下發(fā)生碳原子的聚集、晶化等一系列變化,合成納米級(jí)粉體,然后再酸洗提純就可得到納米級(jí)金剛石粉。該法可大量制備納米晶粒,粒度在2~122nm之間,純度可達(dá)91%左右。(3)納米材料的制備嚴(yán)重塑性變形法是指在靜壓力的作用下,使塊狀材料發(fā)生嚴(yán)重的形變,最終細(xì)化到納米尺度,得到晶態(tài)材料和非晶態(tài)材料的混合物,再經(jīng)過(guò)一定的熱處理,從而得到納米材料。該法制備的納米材料純度高,粒度可控性好。2.2