纳米材料应用

纳米材料应用（精选12篇）

纳米材料应用 篇1

成为纳米金属时, 几乎都会变成黑色, 所以说它们对可见光反射率极低而呈现强吸收性;用纳米微粒作为材料还可以降低光导纤维的传输损耗。

⑸磁学特性:纳米颗粒有巨磁电阻特性超顺磁性、高的矫顽力、单磁畴结构等特性, 所以用这样的材料制作的磁记录材料可以提高信噪比, 改善图像质量等。

⑹化学特性:随着微粒尺寸的减小, 比表面大大增加使键态严重失配, 会出现许多活动中心, 表面台阶和粗糙度增加, 表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价。

⑺吸附和团聚:由于纳米微粒的比表面积大, 使得纳米微粒有较高的吸附性, 因而超细微粒很容易发生团聚来减小体系总表面能达到稳定状态[4]。

3纳米材料的应用领域

近年来随着科技的发展, 纳米技术已经成为世界主要经济中最为优先发展的领域之一, 此领域的研究不仅进一步揭示物质新的原理与现象, 而且还有可能导致一场新的工业革命, 世界上的发达国家制定的新材料发展战略都把纳米复合材料的发展放在重要位置。目前, 该领域的研究方向主要包括纳米聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料等等。正是由于纳米复合材料具备了优良的综合性能, 从而被广泛应用于医学、航空航天、国防、交通和体育等领域。

3.1医学领域

当下, 生命科学的巨大进步明显改善人们的生活质量, 延长人类的平均寿命, 提高人类的生活水平, 也是推动经济发展的重要支撑点。纳米技术在医学的应用包括影像诊断、纳米人工组织器官和生物相容性材料、药物和基因输送系统等重要领域[2]。在影像诊断方面, 纳米氧化铁作为造影剂注射到血液后在正常肝脏和脾脏内会被网状内皮细胞吸收。如果这些器官的细胞发生癌变, 由于所

引言

所谓纳米技术就是以纳米为尺度的科学和技术, 通俗说就是由尺寸只有几个纳米级别的微小颗粒组成的材料。1纳米是10亿分之一米, 用肉眼无法看到, 但是由纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能, 故纳米材料又被称为“21世纪新材料”。

1 纳米材料的发现

1984年德国科学家格莱特将一些极其细微的金属粉末压制成一个小金属块, 然后对此金属块的结构和性能进行了研究, 发现此金属具有很多特异的性能和奇特的内部结构。一般的物体是以晶体的有序排列为物质的主体, 其中的缺陷、杂质是次要的。而格莱特的这种做法却是一种把缺陷作为主体的特殊物质, 正是这种特殊的物质结构就构成了纳米材料。

2 纳米材料的特性

⑴力学特性:纳米晶粒的金属要比传统金属要“硬”, 比如纳米铜的块状材料的硬度要比常规的金属材料提高50倍[1];用纳米超颗粒压制成的纳米陶瓷材料也有很好的韧性。

⑵热学特性:纳米材料较普通材料熔点降低、开始烧结的温度和晶化温度均比常规粉体低得多, 如银的常规熔点为6 7 0℃, 而纳米银颗粒的熔点可低于100℃[1]。

⑶电学特性:纳米级别材料的电阻、电阻温度系数较普通材料发生变化。如银是良导体, 10~15nm大小的银颗粒的电阻会突然升高, 失去金属的特性而成为绝缘体。

⑷光学特性:当有色泽的各种金属含网状内皮细胞大量减少, 只能吸收少量氧化铁, 从而在核磁共振的影像上就会显示出差别, 由此能够很好地区分正常组织和恶性肿瘤组织, 这对肝癌的早期诊断极为重要。

在消毒杀菌方面, 二氧化钛作为一种光催化剂只有被做到几十纳米时才发挥催化作用。其原理是:在可见光下纳米级二氧化钛在表面产生一种自由基的离子破坏细菌细胞中的蛋白质, 从而把细菌杀死。

纳米材料用于药物载体可以治疗癌症, 还可以作为疫苗辅剂。这方面的研究目前方兴未艾, 成果十分引人注目。纳米颗粒作为药物载体有着其独特的优点, 纳米颗粒可作为靶向制剂, 能使药物富集定位于病变组织、器官、细胞或细胞内结构的新型给药系统, 被认为是抗癌药的适宜剂型。将磁性纳米颗粒 (如Fe3O4) 与药物结合后注入人体, 在外磁场作用下, 定向移动于病变部位, 从而达到定向治疗的目的[2]。

纳米药物载体还可以控制性地释放药物。即把药物粉末或溶液包埋在直径为纳米级的微粒中, 使药物在预定的时间内, 自动按某一速度从纳米微粒中恒速释放于靶器官, 并使药物浓度较长时间维持在有效浓度。

3.2 包装领域

纳米技术的神奇功能与特性使得其在包装领域中也有着非常广阔的应用。利用纳米技术的消除静电的特殊功能, 将其涂覆在包装与印刷材料表面, 以消除在高速全自动包装机或印刷机上输送包装与印刷材料时所产生的静电, 从而大大提高包装与印刷速度;在包装材料中加入纳米微粒还可以使其具有除异味、杀菌消毒的作用;选择适宜纳米微粒来得到各种颜粒, 以生产高级印刷油墨, 从而为生产高档印刷油墨创造了条件;将纳米微粒加入陶瓷或玻璃中, 使得陶瓷或玻璃材料富有韧性, 这就为陶瓷包装与玻璃包装产业带来了新的希望。

利用纳米微粒的敏感性, 分别制取气敏材料和湿敏材料用作防伪包装。因为一般金属微粒是黑色, 具有吸收红外线、表面积巨大、表面活性高和对周围环境敏感等特点。因此, 当把具有这些特性的纳米微粒加入包装材料中, 人们在选择商品时便可通过热度、光线或湿度加以鉴别, 从而达到防伪目的;纳米微粒对紫外线有吸收能力, 塑料包装制品在紫外线照射下很容易老化变脆, 如果在塑料包装材料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层, 这种涂层在纳米范围有很强的紫外线吸收性能, 这样就可以防止塑料包装的老化, 大大增加塑料包装的用途和寿命。

目前我国各类饮料及食品包装用的金属罐一直存在着韧性差和延展性差, 加工易于产生裂纹等技术问题, 使得我们很多金属包装容器所用原材料需要进口。如果采用纳米技术, 在制罐金属材料中加入纳米微粒, 可使其韧性和延展性大大提高, 使包装容器的成形加工工艺大大简化, 并提高其可靠性和成品率。由此可见, 纳米技术在包装领域有着十分广泛的应用前景, 其价值是不可估量的。

3.3 涂料领域

纳米技术因其独特的物理和化学性质, 使其在化工领域得到了一定的应用, 其中主要包括涂料工业中的应用。据统计在发达国家内, 涂料产值占化学工业年产值的10%。这不仅是因为涂料工业投资小、见效快、经济效益高, 更重要的是涂料在发展现代工业方面起着非常重要的辅助作用。借助于传统的涂层技术、添加纳米技术, 可获得纳米复合体系涂层, 从而实现功能的飞跃。比如将纳米用于涂料中所得到的一类具有抗辐射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料就是纳米复合涂料。

3.4 汽车领域

汽车技术的发展有赖于材料技术的发展, 纳米技术的应用为材料技术的发展奠定了基础。根据纳米材料的结构特点, 把不同材料在纳米尺度下进行合成与组合, 就可以形成各种各样的纳米复合材料。例如纳米功能塑料优异的物理性能:强度高、耐热性强、比重更小。同时, 纳米塑料还可以显示出良好的透明度和较高的光泽度, 这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。随着汽车应用塑料数量越来越多, 纳米塑料很可能会普遍应用在汽车上。这些纳米功能塑料最引起汽车业内人士注意的有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料。目前的研究表明:用纳米技术制造的乳化剂, 以一定比例加入汽油后, 可使像桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量。显然, 纳米科学在不久的将来必定会在汽车的制造领域得到更加广泛的应用。

4 纳米材料展望

由上述纳米材料的广泛应用, 可以看出纳米材料是极有发展前途的崭新多学科领域材料。不过目前还有很多工程技术领域上尚未得到实际应用。现在从事材料科学的专家学者们正在全力以赴地开发新型纳米材料, 从而寻求适合新型纳米材料制备的新工艺, 促进纳米材料工业化生产及在工程技术上的大规模应用。

摘要：本文主要介绍了纳米材料的发现、特性和应用领域。并对纳米材料的发展进行了展望。

关键词：纳米材料,特性,应用领域

参考文献

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纳米材料应用 篇2

题目： 纳米材料的制备及应用

学院： 物理与电子科学学院

班级： XX级XX班

姓名： XXX

指导教师： XXX 职称：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

纳米材料的制备及应用

摘要:近几年来，由于纳米材料有众多特殊性质，人们越来越关注纳米材料。科技的迅猛发展使纳米材料的制备变得更加成熟。本论文讲述纳米材料的制备，以及纳米技术在将来的应用。关键词：纳米材料 物理方法

化学方法应用前景

目 录

引言..................................................................................................................1 1.纳米材料的物理制备方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸发—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加热蒸发法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸发—冷凝法........................................................................4 1.3.3.电子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等离子体法.................................................................................5 1.3.5.高频感应加热法.........................................................................5 1.4.溅射法..................................................................................................6 2.纳米材料的化学制备方法.................................................................................7 2.1化学沉淀法............................................................................................8 2.2化学气相沉积法...................................................................................8 2.3化学气相冷凝法....................................................................................10 2.4溶胶--凝胶法.......................................................................................10 2.5水热法.................................................................................................11 3.纳米材料的其他制备方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2静电纺丝法..........................................................................................13 4.纳米材料的应用前景.....................................................................................14 5.总结.............................................................................................................14 参考文献..........................................................................................................15 致谢................................................................................................................16

引言

纳米材料是指任一维空间尺度处于1—100nm之间的材料。它有着不同寻常的性质，如小尺寸效应可引起物理性质的突变，从而具有独特的性能；量子尺寸效应和表面与界面效应使其具有了一般大颗粒物不具备的性质，如对红外线、紫外线有很强的反射作用，应用到纺织品中有抗紫外线，隔热保温作用。纳米材料的这些特性使其在化工、物理、生物、医学方面都有非常重要的价值[1]。多年以来，通过科学家们的潜心研究，使纳米材料在其制备及其应用中得到了很大的发展。纳米材料将逐渐进入人们的日常生活，并将成为未来新工业革命的必备材料。

1.纳米材料的物理制备方法 1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用机械粉碎和电火花爆炸等方法得到纳米微粒[2]。此方法操作简单，成本较低，但得到的纳米微粒纯度不高，分布也不均匀。

图1.机械粉碎法仪器图

1.2球磨法

球磨法是将材料放入球磨机内，在球磨机的转动或振动过程中，钢球与原料之间产生剧烈的碰撞，再经过搅拌、研磨，形成纳米微粒。该方法操作比较简单，效率高，能获得常规方法不易得到的高熔点合金，如金属陶瓷纳米微粒；球磨法此外还可以将相图上本来不互溶的纳米元素制成固溶体，但该方法得到的纳米微粒分布不均匀，而且很容易引入新的杂质，有次得到的纳米微粒纯度不高。

图2.球磨法示意图

1.3.蒸发—冷凝法

蒸发-冷凝法也称为物理气相沉积法，即使用激光、电子束照射、真空蒸发、电弧高频反应等方法使原料生成等离子体，再在介质中冷却凝结行成纳米微粒。这种方法大致又分一下几种: 1.3.1.激光加热蒸发法

光加热蒸发法：用激光作为加热源，气相反应物可在吸收传递能量之后快速凝结成核、长大、终止[3]。用该方法可以达到减少杂质的目的，实验过程容易控制，但这种方法电能消耗比较大，生产效率低，成本高，不宜大规模生产。

图3.激光加热蒸发法制备纳米颗粒实验装置图

图4.激光加热法制成的TiO2颗粒

1.3.2.真空蒸发—冷凝法

真空 蒸发—冷凝法：在真空室里通入惰性气体（He、Ar气），然后对物质进行真空加热，使其蒸发形成原子雾，原子雾遇冷凝结形成纳米颗粒[4]。这种在高温下获得的纳米微粒很小（可小于10nm），在制备过程中无其它杂质污染，反应快，成品纯度高，材料组织好。但这种方法仅能制备成分单

一、熔点低的物质。在制备金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在很大局限性。而且此方法对设备要求高、成本也比较高，不适合大规模生产。

图5.真空蒸发—冷凝法制备纳米颗粒示意图

1.3.3.电子束照射法

电子束照射法：原材料（一般指金属氧化物）在高能电子束的照射下获得能量，金属—氧键断裂，金属原子蒸发后遇冷凝结成核、长大，最终形成纳米微粒。此方法只可以用来制备金属纳米粉末。

图6.电子束照射法制备纳米微粒装置图

1.3.4.等离子体法

等离子体法：原材料在惰性或反应性氛围中，通过直流放电来使气体电离，从而熔融、蒸发、冷凝得到纳米微粒[5]。用此种方法制得的产品分布均匀、纯度高，适合于金属及金属氧化物、碳化物、氮化物等高熔点物质纳米微粒的制备。但此方法离子枪短、功率低。

图7.等离子体法制备纳米微粒实验装置图

1.3.5.高频感应加热法

高频感应加热法：用高频线圈作为热源，坩埚内的原材料在低压气体（一般为He、Ne等惰性气体）中蒸发，原子蒸发后与惰性气体碰撞凝结行成纳米微粒[6]。此方法仅限于制备低熔点的物质，并不适合于沸点高的金属盒难熔化物质，且成本加高，一般不采用。

图8.高频感应加热法制备纳米纳米微粒实验装置图

1.4.溅射法

溅射法：用两块金属板分别作为阴极和阳极，两极之间充入Ar气，压强在40—250Pa。由于两极放电使得Ar气体电离且撞击阴极材料表面，阴极材料表面的分子或原子蒸发出来沉积到基片上，形成纳米颗粒[7]。目前，常用的溅射法有离子束溅射法，阴极溅射法，直流磁控溅射法等。此方法有镀膜层与基材结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。但产品分布不均匀，产量较低。

图9.溅射法制备纳米微粒原理图

2.纳米材料的化学制备方法

纳米材料的化学制备方即通过化学反应，从原子、离子、分子出发，制备纳米微粒。常用的化学制备法有沉淀法、气相沉积法、等离子体诱导化学气相沉积法、气相冷凝法、溶胶冷凝法、光化学合成法、化学气相反应法、水热法、熔融法、火焰水解法、辐射合成法等。

2.1化学沉淀法

化学沉淀法：在金属盐溶液中加入适量的沉淀剂，使其反应生成难溶物或水和氧化物，再经过虑、干燥、分解得到纳米化合物微粒；化学沉淀法又有均匀沉淀法、直接沉淀法、醇盐水解沉淀法、共沉淀法；其中，均匀沉淀法是预沉淀剂在溶液中缓慢反应释放出沉淀剂，沉淀剂与金属离子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀剂与金属离子直接反应形成沉淀

[8]；醇盐水解沉淀法就是金属醇盐遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金属盐溶液中加入沉淀剂，获得混合沉淀，再进行热分解或得纳米微粒；此方法是液相化学合成纳米微粒应用最多的方法之一，其中关键是控制粉末成分的均匀，避免形成硬团聚。这种方法在冷冻干燥过程中，冷冻液体不收缩，形成的纳米微粒表面积较大，可以很好的消除粉末团聚现象[9]。沉淀法制备纳米微粒时成品的影响因素比较多，如过滤过程，洗涤液的浓度、酸碱度等都会影响纳米微粒的大小；此种方法操作简单，但很容易引入新的杂质，影响产品的纯度。2.2化学气相沉积法.化学气相沉积法又叫CVD法，就是原材料在气相中发生化学反应得到纳米材料，所用的加热源与物理气相沉积法相同[10]。普通的化学气相沉积法得到的纳米微粒易团聚烧结，而且比较粗，用等离子体增强化学气相沉积法就可以很好的避免上述情况的发生。化学气相沉积法得到的纳米微粒分布比较均匀，粒度小，纯度高，化学活性高，而且成本低、生产效率高，是目前制备纳米材料最常用的方法之一。此外，化学气相沉积法由于制备工艺简单，设备投资少，方便操作，适于大规模生产，工业应用前景较好。化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属、氮化物、氧化物、碳化物、复合氧化物等膜材料。随着制备纳米材料的技术逐步完善，化学气相沉积法将会由更广泛的应用[11]。

图10.化学气相沉积法制备纳米微粒的实验装置图

图11.化学气相沉积法制备纳米微粒的原理图

图12.化学气相沉积法获得的各种形态固体示意图

2.3化学气相冷凝法

化学气相冷凝法就是在真空室中充入惰性气体，压强在10Pa左右，原材料和惰性气体先在磁控溅射装置中反应，在经过冷凝得到纳米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，简称CVC法，目前已经成功应用这种方法获得了二氧化钛、二氧化锆、氮化硅、碳化硅的纳米材料[12]。2.4溶胶--凝胶法 溶胶--凝胶法是以易溶于水的金属化合物为原材料，使其在溶液中与水反应，溶质发生水解生成纳米级的微粒并形成溶胶，溶胶经过蒸发、干燥转变为凝胶(该法在低温下反应，允许掺杂大量的无机物和有机物)，再经过干燥、烧结等后处理获得氧化物纳米微粒；这种方法常涉及的反应有聚合反应、水解反应[13]。目前，溶胶--凝胶法一般又分为两种：胶体化学法和金属醇盐水解法。其优点是操作简单，在低温环境下就可以获得分布均匀、纯度较高的纳米微粒，而且可以用来获得一般方法难以得到纳米材料。用溶胶－凝胶法制备的 10

纳米材料有多孔状结构，表面积较大，在气敏、湿敏及催化方面有很大的应用，可以使气敏、湿敏特性和催化率得到较大提高。此外，这种方法是制备涂层以及薄膜非常有效的方法之一，也特别适合制备非晶态纳米材料。但这种方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收缩、开裂，所以使用范围不广。

图13.溶胶--凝胶法制备纳米材料的流程图

2.5水热法

水热法是指在封闭的反应容器中，将水溶液作反应体系，对水溶液加热增大体系压强来制备无机材料，再经过分离、热处理得到纳米微粒；离子反应和水解反应在水热条件下可得到加速、促进，常温下反应很慢的热力学反应，在水热条件下就可以快速反应；在高压下，大部分反应物能部分溶于水中，使得反应在液相或气相中进行[14]。

水热法可以控制微粒的形态、结晶度、组成和大小，使用此法获得的粉体具有较低的表面能，因此粉体一般无团聚或少团聚。这一特点大幅度提高了粉体的烧结性能，所以此法非常适合于陶瓷的生产；并且，水热法的反应温度低，活性高，为大规模的生产纳米材料提供了非常有利的条件；水热法的低温 11

条件有利于合成熔点较低的化合物；水热法合成的高压和低温条件，便于制成晶型完好、取向规则的晶体材料，而且合成产物的纯度较高。水热法缺点是一般只能制备氧化物纳米粉体，对晶核的形成过程以及晶体生长过程中的控制影响因素等许多方面还缺乏深入研究。此外，水热法制备过程中有高温、高压步骤，对生产设备的安全性要求较高。3.纳米材料的其他制备方法

纳米材料的制备方法有很多种，除了上述方法之外还有分子束外延法、静电纺丝法等。3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜。在真空条件下，加热装有各种所需组分的炉子，产生蒸汽，蒸汽通过小孔形成分子束或原子束，直接喷到单晶基片上，同时控制分子束，对衬底扫描，就可以使按晶体排列的分子或原子一层层地生长在基片上形成薄膜[15]。

图14.分子束外延法原理图

分子束外延法生长温度低，能减少不希望的热激活过程，生长速度缓慢，外延层厚度可得到精确控制；生长表面可达到原子级光滑度，可制备极薄的薄膜；生长的薄膜可以保持原来靶材料的化学计量比；把分析测试设备与生长系统结合在一起，实现薄膜生长的原位监测[16]。分子束外延法也有不足的地方，如对真空要求非常高，分子束外延设备贵投资大，能耗大。3.2静电纺丝法

静电纺丝法是在高压电场作用下使聚合物溶液或熔体带上高压静电，当电场力达到一定程度时，聚合物液滴在电场力作用下克服表面张力形成喷射流[17]。喷射时，射流中的溶液发生蒸发或自身发生固化形成纤维，最终落在接收装置上，获得纳米材料。

图15.所示为静电纺丝原理图

静电纺丝法制备纳米材料优点很多，如装置简单、成本低、可纺物多、工艺易控制，是制备纳米纤维材料的有效方法。纳米技术的发展使静电纺丝作为一种简便有效的生产纳米纤维的新型制备技术，将会在生物、医用、催化、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大的作用。4.纳米材料的应用前景

纳米材料有很多优异的特点，使得纳米材料有很多不同于一般材料的奇特性质。纳米材料的应用有着广阔的应用前景。采用纳米技术制造的纳米结构微处理器在微电子和计算机技术方面其效率要比普通微处理器的效率高100万倍；纳米存储器的密度比普通存储器的要高1000倍；而纳米技术与集成技术结合又可制成纳米传感器；用纳米材料做成的具有巨大表面积的电极，可以大幅度的提高放电效率；用纳米材料制成的磁记录材料可以将磁带记录的密度提高数十倍。在环境与能源方面，纳米材料可提高太阳能电池的能量转换效率，还可以用来消除空气中的污染物。例如将Ti02催化剂涂在物体上，可以使物体具有自洁功能，任何粘在物体表面上的物质（油污、细菌）在光的照射下，通过Ti02催化剂催化作用，变成气体或容易被擦掉的物质。纳米催化剂还可以彻底消除水或空气中的有害物质。纳米材料在减少环境污染、净化环境上有广阔的应用前景。在生物学工程与医学方面，将磁性纳米材料做为药物载体，在外磁场作用下集中于病患处，有利于提高药效，也可以减少药物副作用[18]。用纳米材料制成的溶液加上抗原或抗体，可以实现免疫学的间接凝聚实验,实现快速诊断。用纳米材料制成的机器人，用来人体进行全方位的检查，可消除血栓、心脏动脉脂肪沉积物。5.总结

纳米材料作为一种新兴材料，具有十分广阔和诱人的发展前景。纳米材料的制备方法和技术将随着科学技术的发展更加成熟，将对人们的生活和人类生产力的发展产生重大的影响。

随着纳米技术的发展，各个学科领域都开始广泛应用纳米材料。这必将会不断出现更新更好的制备方法，希望在将来以下几个方面可取得突破。

(1)在结构、组成、排布、尺寸、等方面，制备出更适合各领域发展需要，具有更多预期功能的纳米材料；

(2)从节能、节约材料、提高效率等角度出发，研制出更多的新设备，以便制备出更多的新型纳米材料；

(3)设计出新的制备方法，采用新的制备工艺，在原有纳米材料的基础上，提高纳米材料的功能。

参考文献

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致谢

本论文在XXX的悉心指导下完成的，她渊博的专业知识，严谨的治学态度使我受益非浅。在此谨向XXX老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助。

The preparation of nanomaterials and their application prospects

聚苯胺纳米材料的制备及应用 篇3

关键词：聚苯胺；纳米材料；制备；应用

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0042－02

聚苯胺具有原料易得，合成简便，掺杂机理独特，优良的环境稳定性、电磁微波吸收性能、电化学性能及光学性能和潜在的溶液和熔融加工性能等优点，被认为是最有希望在实际中得到应用的导电聚合物材料，在日用商品及高科技等方面有着广泛的应用前景。［1，2］因此，自MacDiarmid等发现其质子酸掺杂过程后，［3，4］聚苯胺一跃成为当今导电聚合物研究的热点和推动力之一，备受人们的关注。在这30多年期间，国内外相关学者们已对聚苯胺各方面进行了较为深入的研究。

1 聚苯胺的制备方法

聚苯胺通常由苯胺单体的化学氧化聚合或电化学氧化聚合的方法来制备，选择不同的合成方法和合成条件所得聚苯胺的微观形貌和各种物理、化学性质都有较大的差异。

1.1 化学氧化聚合

化学法制备聚苯胺一般是在酸性介质中把氧化剂直接加入到苯胺溶液中，使苯胺发生氧化聚合反应，生成粉末状的聚苯胺。苯胺的化学氧化合成法具有操作简单、反应条件容易控制等优点。研究较多的化学氧化聚合法主要有溶液聚合、乳液聚合、微乳液聚合与现场吸附聚合法等。

1.1.1 溶液聚合法

聚苯胺的溶液聚合是指在酸性溶液中用氧化剂使苯胺单体氧化聚合。化学氧化法能够制备大批量的聚苯胺，也是最常用的一种制备聚苯胺的方法。化学氧化法合成聚苯胺主要受到反应介质酸的种类及浓度、氧化剂的种类及浓度、单体浓度和反应温度、反应时间等因素的影响。质子酸是影响苯胺氧化聚合的重要因素，它主要起两方面的作用：提供反应介质所需的pH值和充当掺杂剂。苯胺化学氧化聚合常用的氧化剂有：H2O2、K2Cr2O8、MnO2、（NH4）2S2O8、FeCl3等。

1.1.2 乳液聚合法

乳液聚合有两大类型：①水包油（O/W）型，称为普通乳液聚合；②油包水（W/O）型，即反相乳液聚合。它们的差别主要体现在反应连续相的选择上，O/W型乳液的连续相是水，而W/O型乳液的连续相是有机溶剂。典型的乳液聚合过程为：以表面活性剂（如有机磺酸钠等）为乳化剂，同时加溶剂（如水、二甲苯）及苯胺，再用氧化剂（如过硫酸铵（NH4）2S2O8）引发聚合，反应结束用丙酮破乳，经洗涤、干燥即得产物聚苯胺。［5］乳液聚合所得聚苯胺在溶解性、热稳定性等方面优于溶液聚合法所得产品。

1.1.3 微乳液聚合法

微乳液聚合体系由水、苯胺、表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂等在适当配比下组成，所得微乳液中乳胶粒粒径分布比常规乳液聚合得到的乳胶粒径分布要窄，其分散液滴大小仅10～100 nm。与传统乳液聚合法相比，微乳液聚合法可大大缩短聚合时间，并且所得产物的电导率和产率均优于采用传统乳液聚合法合成的聚苯胺。

1.1.4 现场吸附聚合法

现场吸附聚合法也是化学氧化聚合法中的一种，它是在新配制的过硫酸铵和苯胺的酸性水溶液的混合液中浸入基体材料，使苯胺在基材的表面上直接发生氧化聚合反应，使得聚苯胺可以“吸附”沉积在基材的表面，形成一层致密的膜。［6］

1.2 电化学聚合法

电化学法制备聚苯胺是在含苯胺的酸性电解质溶液中，选择适当的电化学条件，使苯胺在阳极上发生氧化聚合反应，生成粘附于电极表面的聚苯胺薄膜或是沉积在电极表面的聚苯胺粉末。电化学氧化聚合的优点是聚合产物纯度高，反应条件简单且易于控制，没有氧化剂引起的污染，在电极上直接成的膜性能较好等。

2 聚苯胺的应用

聚苯胺具有许多优异的性能，如导电性、氧化还原性、电致变色性、质子交换性质以及光电转换特性等，在传感器、电致变色、抗静电、二次电池、电磁屏蔽、气体分离膜、电催化材料以及金属防腐等方面均有着广泛的应用前景。

2.1 导电性应用

聚苯胺不同于一般的导电聚合物，其导电性主要决定于两个因素：质子化程度（掺杂率）和分子链的氧化还原程度。当氧化还原程度一定时，聚苯胺电导率与溶液pH值、温度、水汽以及其他气体等有关。因此，可制作对pH、温度、湿度或者气体敏感的传感器，［7，8］如NH3、NO2、H2S气体指示器及湿度传感器等。

2.2 电化学效应及应用

由于聚苯胺具有多种氧化还原态，在水和非水溶液中都呈现可逆的氧化还原反应，因此具有较高的电荷存储能力，可作為电池或者超级电容器的电极材料。在水溶液中聚苯胺与Zn组成的电池电位可达2 V；［9］在非水溶液中聚苯胺与Li组成的电池可产生3～4 V的电位。

2.3 防腐性能的应用

聚苯胺具有氧化还原活性，可以与金属表面反应生成致密的钝化层，防止进一步的腐蚀反应。研究表明，聚苯胺保护膜层即使存在针孔缺陷，仍对金属材料具有防腐作用。聚苯胺涂层这种抗点蚀和抗划伤的能力是其他防腐涂层所不具备的。

2.4 其他性质及应用

聚苯胺的颜色可随着氧化态的变化而改变，而且这种颜色变化具有一定的对比度、可逆性和记忆特性，使其作为电致变色材料用于显示器、节能窗及伪装隐身等。聚苯胺还具有较好的电磁波吸收性能，可望用作微波吸收剂。此外，聚苯胺也可应用于电流变、印刷电路板的制作、光学信息存贮材料及电容器等领域。

参考文献：

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［3］MacDiarmid A G, Chiang J C, Huang W S, et al., Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1985, 125.

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［5］Osterholm J E, Cao Y, Klavetter F, et al., Synth. Met., 1993, 55.

［6］Travain S A, de Souza N C, Balogh D T, et al., J. Colloid Interface Sci., 2007, 316.

［7］Tan C K, Blackwood D J, Sensors and Actuators, 2000, 71（3）.

［8］Matsuguchi M, Io J, Sugiyama G, et al., Synthetic Metals, 2002, 128（1）.

［9］Ryu K S, Kim K M, Journal of Power Sources, 2007, 165（1）.

（编辑：尤俊丽）

Preparation and Application of Polyaniline Nanomaterials

Zhao Xiaoling, Liu Zhihua

Abstract: Due to its cost effective, facile synthesis process, environmental stability and adjustable conductivity, polyaniline （PANI）, one of the most attractive conductive polymers, has been studied intensively for more than 30 years. This paper describes the preparation and application of polyaniline nanomaterials.

Key words: polyaniline; nanomaterials; preparation; application

钯纳米材料的制备及应用 篇4

2012年全球钯需求增长23%, 2013年全球钯的需求量在此基础上继续增加[1]。对钯需求量的增加主要是因其被广泛应用于汽车尾气处理、偶联反应、催化加氢、氧化反应等催化反应中。为了缓解钯稀缺的现状, 一方面, 人们希望用其它材料替代钯, 但是由于钯特殊的结构及性质, 使该计划尚停留在试验阶段;另一方面, 人们希望通过纳米技术来改变钯的尺寸、形状或空间结构, 从而提高其利用率、催化寿命与回收率。关于纳米钯的制备技术国内外已报道很多种方法, 且其中相当多的方法已经实现工业化。本文将以还原驱动力为线索总结前人的纳米钯制备方法及其应用。

1 制备方法

纳米颗粒的粒度小、表面积大、表面能高, 极易产生自发的凝并, 表现出强烈的团聚特性, 特别容易团聚生成粒径较大的二次颗粒。团聚的结果导致了纳米颗粒材料性能的劣化, 甚至可劣化为大尺寸颗粒的性能[2,3]。因此, 衡量一种制备方法的优劣主要须考虑产物的尺寸大小、尺寸分布及稳定性3个因素[4]。而此3因素与反应驱动力有着密切的关系:反应驱动力的不同, 会使反应条件有所变化, 从而导致反应产物特性的波动。较强的还原驱动力可以缩短反应时间, 提高产率, 但可能会对尺寸分布与稳定性有负面影响;温和的反应条件造成反应速率较慢, 然而产物的尺寸分布与稳定性相对优良。

纳米钯的制备方法可以分为物理方法与化学方法。物理方法主要包括蒸发冷凝法[5]、等离子体沉积法[6]、溅射法[7]及物理粉碎法[8]等。物理方法虽然能大批量地制备纳米钯, 但是制备过程复杂, 产物质量较差。化学方法根据还原驱动力一般可以分为金属化合物热分解法[9,10,11,12,13]、微波辐射法[14,15,16,17,18]、超声波辐射法[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]、化学还原法[29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43,44]及光还原法[45,46,47,48,49,50]等。本文将主要探讨化学方法。

1.1 金属化合物热分解法

金属化合物热分解法[9,10,11,12,13]为通过配合物与不同金属离子的配合作用, 得到复合前驱体, 而后经热分解的方法使配合物与金属分开而得到纳米颗粒。

Yukimichi[9]系统地采用该方法制备了贵金属纳米颗粒 (Au0、Ag0、Pt0、Ru0、Rh0及Pd0等) , 制备过程如图1所示, 其中Mn+为贵金属离子, M0为贵金属颗粒。首先, 甲基丙烯酸甲酯 (MMA) 单体与贵金属化合物混合溶解, 形成金属离子与MMA单体的溶液;然后以过氧化二苯甲酰 (BPO) 为引发剂聚合形成金属离子与聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 的固溶体;最后根据拟还原贵金属离子的种类选择合适的加热温度即得到贵金属纳米颗粒与PMMA的固溶胶。在高温加热过程中, Mn+/PMMA固溶体将发生颜色变化, 并伴随贵金属离子还原成原子以及原子聚集形成纳米颗粒。其制备的钯纳米簇的平均尺寸 (直径) 仅为1nm, 且由于PMMA的保护作用, 使得纳米簇尺寸均一且不易聚集。

Cyril[10]采用类似的方法, 以偶氮二异丁腈 (AIBN) 为引发剂, 于50℃本体聚合48h, 形成醋酸钯 (Pd (CH3COO) 2) /PMMA固溶体;120℃下高温处理1h形成Pd0/PMMA纳米复合材料 (固溶胶) 。通过控制PMMA的分子量及Pd2+的浓度, 所制得Pd0/PMMA复合材料具备优良的形态结构、机械强度及耐热性。但该方法涉及的制备过程复杂, 且Pd0/PMMA中容易残留MMA单体及AIBN引发剂。

此外, 在无聚合物保护剂的条件下, 亦可通过热分解Pd (CH3COO) 2溶液的方法制备纳米Pd0液溶胶[13]。但此方法所制备的Pd0纳米颗粒只能稳定存在于液溶胶体系中, 一旦脱离该体系则十分不稳定。该方法存在一定的局限性, 但对研究团簇科学与胶体理论有重大意义。

1.2 微波辐射法

传统的加热是由热源通过热辐射由表及里的传导式加热, 而微波加热为材料在电磁场中由于介质损耗而引起的体加热[14]。不同于传统加热, 微波辐射可以使溶剂受热均匀且加热无后效应, 从而使得纳米颗粒尺寸分布更均匀。

Tu等[15]以聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 作为稳定剂, 乙二醇作为还原剂, 经微波辐射金属水合离子成功合成了Pt0、Ir0、Pd0、Au0及Rh0等胶体纳米簇, 首次系统地利用微波辐射法成功制备了贵金属纳米颗粒。如表1所示, Pd0纳米簇的平均粒径仅为1.3nm, 而通过油浴加热的对照组中Pd0的尺寸为2.7nm。不管是粒径还是尺寸均一度方面, 微波辐射法均优势明显。

此外, Liu等[16,17,18]用微波辐射法在制备金属纳米颗粒方面取得了巨大的进展, 不仅成功合成了粒径很小的Pd0纳米颗粒, 而且对其形态进行了控制, 从而赋予其更多的特性。

相比于传统的加热, 微波辐射更加温和, 但仍属于高温还原的范畴, 这使本来就因表面能高而易聚集的纳米颗粒更加趋向团聚。微波辐射法虽然克服了传统加热法导致的受热不均匀带来的聚集, 但是过度的加热仍会影响尺寸分布, 因此控制好反应时间与温度很关键。

1.3 超声辐射法

超声化学利用超声空化作用能加速化学反应, 消除局部浓度不均匀。超声的作用来自于声空化。声空化是指液体中微小泡核的形成、振荡、生长、收缩至崩溃, 从而引发物理、化学变化。空化泡崩溃时, 极短的时间内在空化泡周围的极小空间内, 将产生瞬间的高温 (5000K) 与高压 (1.8×108Pa) 及超过1010 K/s的冷却速度, 并伴随强烈的冲击波和 (或) 时速达400km的射流及放电发光作用。超声过程中极高的能量可以促使新相的形成[19]。目前, 超声化学被用于制备金属纳米材料[19,20,21,22,23]、纳米氧化物[24]及硫化物[25]等。

关于超声化学的反应机理目前还不是很明确, 普遍认为由于空化作用使得水溶液或醇溶液 (特别是乙二醇溶液) 中产生还原剂 (如H·与OH·自由基) , 从而使金属盐溶液得到还原。在超声还原法制备纳米Pd0中, 大量报道都是用水[22,23,26,27]作为溶剂, 但是由于纳米Pd0为疏水基团, 在水溶液中会略有团聚, 而在乙二醇中, 很难得到稳定的Pd0纳米颗粒[28], 故超声还原法尚有待改进。但超声化学具有操作简单、反应时间短及反应产率高等优点, 甚至能引发某些传统条件下不能进行的反应, 因此对超声还原的进一步深入研究将极大地推动纳米技术的发展。

1.4 化学还原法

化学还原法制备金属纳米材料的起步较早且技术比较成熟, 在国内外都有大量的研究。还原剂一般包括硼氢化钠[29]、氢气[30,31]、胺[32]、柠檬酸钠[33]、醇类[34]及甲酸[35]等。这些还原方法也都被用于纳米Pd0的制备中。由于化学还原法反应速度快, 反应程度高但超细纳米Pd0本身十分不稳定, 因此在加入化学还原剂的同时必须加入合适的保护剂以防止其团聚[36]。主要的保护剂有聚合物[31,37]、表面活性剂[26,38]、陶瓷材料[39]及有机配体[40,41,42]等。聚合物主要依靠化学吸附起到保护作用, 表面活性剂依靠共价键, 而有机配体通过静电相互作用实现保护, 陶瓷材料则是借助其自身的模板作用达到保护的目的。最常见的保护剂为聚合物, 聚合物可从两方面对纳米颗粒进行保护[43,44]:一方面, 由于聚合物倾向于吸附于纳米颗粒表面, 使得链段能够包裹纳米颗粒从而降低其表面能, 当纳米颗粒生长到一定程度时, 聚合物链段就会产生向内的排斥力以阻碍其继续生长;另一方面, 当2个纳米颗粒相互靠近时, 聚合物链段就会在两者之间产生排斥力以阻止其团聚, 其原理如图2所示。

随着纳米Pd0制备方法的多样化, 单一的化学还原已逐步转化为多种还原方法的综合运用。通过控制还原剂体系的组成及反应条件 (包括pH值、温度及压力等) 使最终产物的粒径、尺寸分布及分散程度趋于人们所期望的水平。

1.5 光还原法

由于制备过程简便、产物的粒径可控、尺寸分布窄且不易团聚, 光还原法已经成为制备金属纳米材料的主流方法。特别是在制备Au0、Ag0纳米簇方面, 光还原法已经有了巨大的发展[45,46]。但是对于光还原法制备Pd0纳米材料的报道很少, 相比于其它方法, 光还原法并未体现出它在制备Au0、Ag0纳米簇时的优势。可能是由于Pd2+与负离子基团形成的共价键较强, 因此需要更强的还原性。光还原法的机理目前尚不十分明确, 可能是由于在光照的作用下于水中产生水合电子和羟基自由基[47,48]:

在有醇类 (RCH2OH) 存在的条件下, 羟基自由基与醇反应得到α碳自由基 (RC·HOH) , 抑或醇自身经光活化分解生成H原子 (自由基) 及α碳自由基。因此溶液中的金属离子就会被水合电子、H·自由基及α碳自由基还原为胶体型的金属。与高温、电磁波、超声波及还原剂相比, 光还原法的体系还原能力相对较弱, 故在合成纳米Pd0时, 可能需要一些额外的手段辅助还原[49,50], 这就使得制备过程有些复杂。因此, 用光还原法制备Pd0纳米材料尚有待进一步深入研究。

2 应用

2.1 催化剂

贵金属作为催化剂具有高活性、易回收、能循环使用及催化效率高等优点, 几乎所有贵金属都能应用于催化剂领域, 但其价格高昂。大颗粒的贵金属催化剂不仅利用效率低而且催化反应的中间体或产物易中毒, 导致催化活性降低[51]。纳米技术的兴起使贵金属在催化领域趋向工业化。表面与界面效应增加了颗粒的比表面积, 当颗粒由微米变为纳米尺寸时, 表面原子所占比例由微米尺度时的1%~2%急剧增长到超过50%, 同时表面能迅速增加, 使表面原子具有很高的活性[52]。如此极大地提高了催化效率, 减少了贵金属的使用量, 降低了成本, 同时也克服了大颗粒带来的负面影响。

作为贵金属的Pd0其催化性能更是出类拔萃。Pd0具有与Pt0相同的晶格结构、相似的原子半径及相当的晶格能量[53,54,55], 同时其价格相对Pt0也便宜很多。全球Pd开采量的一半以上被用于替代Pt作为催化剂用于汽车尾气处理。由于汽车尾气中的一氧化碳、氮氧化合物及碳氢化合物等[56]可引发酸雨、破坏臭氧层及造成烟雾, 如何处理这些废气对环境保护与人类健康都是一个难题。尾气排出前可以通过纳米Pd0的催化, 将这些有害的成分转化为二氧化碳、氮气及水蒸气等, 转化率高达90%[57], 因此高性能的纳米Pd0材料在尾气处理中的作用举足轻重。

此外, 2010年获得诺贝尔化学奖的科学家均是在Pd0催化交叉偶联反应方面做出突出贡献[58]。碳原子化学性质不活泼, 要使其发生化学反应十分困难, 以往的方法是提高碳原子活性, 但是过于活泼的碳原子会产生大量副产物并且使得反应难以控制。而贵金属钯作为催化剂则可以避免这些问题, 钯原子充当了桥梁的作用, 使得不同的碳原子更加容易发生结合。近年来这类反应也与纳米技术相结合, 所制备的纳米Pd0已经在Heck反应[59,60]、Suzuki反应[61,62]、Stille反应[63]等偶联反应, 催化加氢反应[64], 以及氧化反应[65]等的催化中取得了显著的效果。

Pd0与其它金属形成的纳米合金也得到了广泛的关注。相比于其它单一的Pd0催化, 其合金在催化性能方面有着明显的提高[66,67];这是由于合金纳米颗粒包含两种以上的元素, 每种元素既可单独选择性地作用又能协同作用进行催化, 从而导致催化活性的增强[68]。

然而, 纳米Pd0并非尺寸越小催化效率越高。例如在电氧化甲酸的反应中, 2~9nm的Pd0中尺寸为5nm的催化活性最高[69]。因此一味地追求尺寸反而不利于催化性能的提高。纳米Pd0在催化领域的发展趋势为适当的尺寸大小结合形貌及原子排列共同提高催化性能[70,71,72], 甚至今后的发展更注重于后者。

2.2 储氢材料

由于石油能源的日益枯竭及环境污染的日益严重, 人们不得不尝试开发环保型新能源。氢能源因其廉价、高效及无污染而被人们寄予厚望。但是氢的储存却成为一个阻碍其发展的巨大问题。储氢材料应当具有安全、体积小、氢含量高、能高效地氢化-脱氢及循环寿命高等特点, 固态储氢材料能将这些特点集于一身。在固态储氢材料中, 纳米金属或合金又成为其中的佼佼者, 其储存机理为:

作为一种本身十分优秀的吸收氢的金属[73], 加之纳米化后所具备的纳米效应, 纳米Pd0具有很强的捕获氢原子的能力并能与氢原子形成稳定的Pd-H键;同时, 氢原子在纳米Pd0中能稳定存在[74,75]。因此, 相比于普通的储氢材料, 纳米Pd0在储氢容量、循环寿命及氢化-脱氢速率方面具有更加优异的性能[76], 使其在众多储氢材料中脱颖而出。

此外, 还有很多关于Pd0与其他金属或化合物形成合金作为储氢材料的报道, 以Pd0/Pt0合金为例, Kobayashi[77]制备出的以Pd为核和Pt为壳的合金纳米颗粒, 通过核壳之间特有的结构达到吸氢功能, 使得氢原子能够稳定地储存在Pd的核和Pt的壳之间的区域, 如图3所示 (绿色代表H原子, 红色代表Pd原子, 蓝色代表Pt原子, 详见文献[77]) 。此外, Pd0/Ag0合金[78]、Pd0/Mn0合金[79]及Pd0/TiO2合金[80]等材料亦相继因其各自的特点而得到关注。

3 结语

纳米材料研究现状及应用前景要点 篇5

摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。

关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言

自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属 有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。

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或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体(零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等)、纳米纤维(一维纳米材料)、纳米薄膜(二维纳米材料)、纳米块体(三维纳米材料)、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合(0-0 复合)、纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)、纳米微粒与薄膜复合(0-2 复合)、不同材质纳米薄膜层状复合(2-2 复合)等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。

我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控，并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化锆晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变； 在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁熵变超过金属Gd；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常Hall-Petch效应等。纳米材料制备技术现状

纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳米材料的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 纳米材料的力学和热学性能

纳米材料由于其独特的结构，因而与常规材料相比，在力学和热学上表现出一些奇异的特性。实验表明，粒径达8nm的铁的强度为常规材料的数倍，其硬度是常规材料的近千倍。长期以来，为解决陶瓷在常温下的易碎问题不断寻找陶瓷增韧技术，如今纳米陶瓷的出现轻而易举地解决了这个难题。实验证明，纳米TiO2在800-1000热处理后，其断裂韧性比常规TiO2多晶和单晶都高，而其在常温下的塑性形变竟高达100%。中科院金属研究所曾成功地将纳米铁经反复锻压，其形变高达300%。

目前各种发动机采用的材料都是金属，而人们一直期望能用性能优异的高强陶瓷取代金属，这也是未来发动机发展的方向。而纳米陶瓷的出现为人们打开了希望之门。纳米陶瓷的超高强度，优异的韧塑性使其取代金属用来制作机械构件成为可能。中科院上海硅酸盐研究所制成的纳米陶瓷在800下具有良好的弹性。

纳米微粒由于颗粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近邻配位不全，化学活性大，因而其烧结温度和熔点都有不同程度的下降。常规Al2O3烧结温度在1650以上，而在一定的条件下，纳米Al2O3可在1200左右烧结。利用纳米材料的这一特性，可以在低温下烧结一些高熔点材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于纳米微粒具有低温烧结，流动性大，烧结收缩大的特性，可以作为烧结过程的活性剂，起到加速烧结过程，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。有人曾作过实验，在普通钨粉中加入0.1%-0.5%的纳米镍粉，其烧成温度从3000降到1200-1300。复相材料由于不同相的熔点及相变温度不同而烧结困难，但纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，不仅使各相熔点降低，各相转变温度也会降低。在低温下就能烧结成性能良好的复相材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于电子线路衬底，低温蒸镀印刷和金属陶瓷的低温接合等。

此外，利用纳米微粒构成的海绵体状和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛应用于各种过滤器、活性电极材料、化学成分探测器和热变换器，例如备受人们关注的汽车尾气净化器。有报道说，以色列科学家成功地用Al2O3制备出耐高温的保温泡沫材料，其气孔率高达94%，能承受1700的高温。

2.2 纳米材料的光学特性

纳米粒子的一个明显特征是尺寸小。当纳米粒子的粒径与超导相干波长，玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当、甚至更小时，其量子尺寸效应将十分显著，使得纳米材料呈现出与众不同的光学特性。

纳米材料对可见光具有反射率低、吸收率高的特性。一般来说，大块金属都具有不同颜色的光泽。但实验证明，金属纳米微粒几乎都呈黑色。如铂金纳米粒子反射率仅有1%，这表明它们对可见光的低反射率、高吸收率导致粒子变黑。由于体积效应，能级间距的增大和纳米的量子限域效应，纳米粒子对光的吸收还表现出蓝移现象。利用纳米材料的这一特性，制成紫外吸收材料，可用作半导体器件的紫外线过滤器。还可在稀土荧光粉中掺入纳米粉，吸收掉日光灯发射出的有害紫外线。将其应用在纺织物中，与粘胶纤维相混合，制成的功能粘胶纤维，具有抗紫外线、抗电磁波和抗可见光的特性，可用来制做宇航服。

2.3 纳米材料的化学活性、敏感性

化学催化剂是一种不断接受热源使化学反应稳定进行的功能材料。催化剂的作用主要有以下几个方面:一是提高反应速度和效率，缩短反应时间；二是改善反应的条件，如降低反应温度、压强、真空度等；三是在决定反应的路径方面，使化学反应按预计的方向进行，即具有选择性。从以上不难看出，人们总是期望单位质量催化剂表面能同时接纳尽可能多的反应物，纳米微粒的表面积效应恰好符合了这一点。而且纳米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子台阶，此外原子表面悬键多，反应活性大。这些都有利于加速化学反应，提高催化剂的反应活性。例如采用纳米Ni 作为火箭固体燃料的催化剂，燃烧率可提高100倍。纳米材料不仅能极大提高催化剂的催化活性，而且还表现出令人惊异的化学选择性。这在有机化学工业上有着广阔的应用前景，可用来提高原料的利用率，降低生产成本。如在环辛二烯加氢生成环辛烯的反应中，常规的Ni催化剂选择性仅为24，而采用粒径为30nm的Ni时选择性提高到210，是原来的9倍。

纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性以及与气体相互作用强等特性，导致纳米微粒对周围环境的变化十分敏感。如光、温度、湿度、气氛、压强的微小变化都会引起其表面或界面离子价态和电子迁移的变化。这正满足了传感器功能上所要求的灵敏度高、响应速度快以及检测范围广的要求。目前科学家已发现多种纳米材料对一些特定的物质具有敏感反应。

2.4 纳米材料的电学、磁学效应

超顺磁性是纳米微粒的一大磁学特性。当纳米微粒尺寸小到一定临界值时，其磁化率就不再服从经典的居里一外斯定律而进入超顺磁状态。科学家认为纳米微粒出现超顺磁性，其原因在于粒径小于临界值，各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不在固定的一个异磁方向。异磁方向作无规律的变化，这就导致了超顺磁化的出现。磁性液体正是利用纳米微粒的这一特性而制成的。磁液体是由具有超顺磁性的强磁性微颗粒包一层长链有机分子的界面活性剂，弥散于一定的基液中形成的胶体，具有固体的强磁性和液体的流动性，在工业废液处理方面有着独特的优势和广阔的应用前景。

纳米微粒进入临界尺寸呈现出超顺磁性，但在粒径大于临界尺寸时，却表现出高的矫顽力。另外，当纳米粒子的尺寸小到一定值时，每个粒子就是一个单磁畴，实际上就成为永久磁铁。具有上述两种特性的磁性纳米粉是未来磁记录材料的发展趋势。磁记录材料发展的总趋势是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求记录材料具备每1cm2 记录信息1000万条以上，这就要求每条信息记录在几个平方微米内，只有纳米的尺寸才能达到这一点。磁性纳米材料具有尺寸小、单磁畴结构、矫顽力高等特性，使得制作的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、信噪比高、失真十分小等优点。日本松下电器公司已成功研制出纳米磁记录材料，我国也开展了这方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。纳米材料的主要应用[22]-[27]

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。3.1特殊性能材料的生产

材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。

3.2生物医学中的纳米技术应用

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3.3纳米生物计算机开发

生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。

科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。

目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。

3.4新的国防科技革命

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

3.5其他领域

除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。纳米材料的应用前景展望

在未来的几十年中，纳米技术将逐步渗透到科学技术的各个领域，并在很大程度上改变人们的生产和生活观念。纳米技术将影响的几个领域[ 10][ 22]：

(1)海水脱盐净化技术。由于人口的快速增长，预计到2025年，全球将有48 个

国家、32%的人口面临着缺水的困境。而解决缺水困难的根本出路就是海水脱盐净化技术，碳纳米管的发现及纳米技术的发展为这一技术提供了一种可能的发展方向。

(2)照明系统。在照明中用于制造发光二极管的半导体将逐渐在纳米尺寸范围内制作，在纳米尺度上制作的发光二极管的效率现在已经可以与可见光谱上白炽光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低发热特性，将很快在展览、汽车照明灯、普通照明以及指示器中获得广泛应用。

(3)医学和生物领域。纳米技术将使适用于制药的化学物质的数量增加约1 倍；

可用尺寸为50-100nm的纳米颗粒对肿瘤部位进行治疗，因为更大的粒子无法穿过肿瘤上的小孔，纳米颗粒却能轻松进入肿瘤内部；纳米技术将使癌症在仅有少量癌细胞出现的早期即被检出。

(4)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器，研制量子计算机和光子计算机。

(5)环境和能源。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径1nm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳能电池的能量转换效率等。利用纳米材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出无以计数的新型材料，21世纪的纳米材料必将在微电子、信息、能源、环保、通讯、航空航天、工农业生产以及人们的日常生活等领域中发挥出巨大的作用，从而促进生产力的提高，推动社会的发展。参考文献

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纳米材料应用 篇6

纳米材料处理废水的两大原理

1.吸附原理

纳米材料具有表面界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和介电限域效应。其中，纳米材料的表面界面效应是纳米粒子具备吸附有机污染物的基础，巨大的比表面积使纳米材料表面活性高，容易与其他原子结合，具有很强的吸附性能。

2.光催化原理

纳米半导体光催化剂大多是n型半导体材料，具有区别于金属或绝缘物质的特别能量带，即在价带和导带之间存在一个禁带，当光子能量高于半导体吸收阈值时，半导体的价带电子发生跃迁，即从价带跃迁到导带，从而产生光生电子（e-）和光生空穴（h+）。光生电子具有较强的还原性，光生空穴具有较强的氧化性，纳米半导体光催材料利用光生电子（e-）和光生空穴（h+）的氧化反应和还原反应，可以达到有效降解包装印刷废水中有害物质的目的。

用于废水处理的几类纳米材料

1.碳纳米材料

碳纳米材料对包装印刷废水具有较强的吸附能力，但这种吸附能力与废水的浓度、碳纳米材料的含量以及作用温度有关。废水浓度越高、碳纳米材料投入量越多，反应温度越高，碳纳米材料的吸附能力就越强。

经改良的碳纳米材料在对油墨颜料吸附60min后达到一定的平衡，最大吸附容量为101.6mg/g。除此之外，碳纳米材料对包装印刷废水中的Pb2+、Cu2+和Cd2+也具有一定的吸附作用。研究表明，经过硝酸氧化处理的碳纳米材料对废水中的Pb2+和Cu2+吸附能力增强，且吸附能力与废水的pH值有关， pH值越大，碳纳米材料对Pb2+和Cu2+的吸附能力越强。

2.石墨烯纳米复合材料

利用石墨烯纳米复合材料处理印刷废水的途径有两种：一是利用石墨烯比表面积大的特性吸附有机污染物，起到净化废水的作用，改良的磁性石墨烯吸附能力强，可用于吸附油墨颜料、水性油墨中的丙烯酸树脂等有机污染物；二是石墨烯纳米复合材料具有光催化降解性能，可以降解包装印刷废水中的有机污染物，且其光降解能力明显高于纯二氧化钛、氧化锌等光降解材料，并且与二氧化钛相比，石墨烯透明性较好，光谱吸收范围大，光催化性能更强。

3.C60富勒烯

C60富勒烯可以通过吸附离子对和中性络合物，对废水中的Pb2+和Cu2+进行有效吸附。除此之外，C60富勒烯还可以通过π-电子作用吸附胺类、醇类、醛类、羧酸类、硫醇类、酮类以及烃类等有机物，在处理包装印刷废水方面具有重要应用价值。研究表明，C60富勒烯还具有选择吸附性，其选择性吸附作用强于键合硅胶C18。

4.铋复合氧化物

铋复合氧化物以及碳酸氧铋材料可以吸收可见光，且光催化效率高，能高效降解有机物，近年来受到国内外科研工作者的广泛关注。铋复合氧化物的使用不仅拓宽了开发新型可见光催化材料的思路，还为研究光催化性能的影响因素提供了一个潜在的可行途径与理论模型。

5.纳米二氧化钛

纳米二氧化钛不仅是一种固相萃取吸附剂，还是一种光催化剂，具有比表面积大、吸附与光降解重金属容量高的优点。纳米二氧化钛表面覆盖羟基时呈现电负性，可以有效吸附包装印刷废水中带正电的金属阳离子，如Cd、Co、Cu、Fe、Mn、Ni、Pb以及Zn等金属元素的阳离子。纳米二氧化钛表面吸附速率由二氧化钛纳米粒子的粒径和晶型决定，小粒径锐钛型结构的二氧化钛对污染物的吸附效率高。普通二氧化钛光催化剂通过溶胶-凝胶和水热方法掺杂Fe元素和Ne元素之后，不仅能提高其光催化剂的催化效率，还能扩大其光谱吸收范围。

6.其他纳米材料

纳米碱土金属氧化物可以对包装印刷溶剂型油墨中的苯类物质进行有效化学吸附，这是一种破坏性吸附。经研究表明，纳米碱土金属氧化物对苯类物质的吸附活性顺序为：BaO >SrO > CaO > MgO。此外，稀土氧化物La2O3和CeO2在无氧条件下可以有效吸附油墨中的苯类物质，且La2O3的吸附效率高于CeO2。

应用案例

笔者以某包装印刷企业13ml油墨废水为研究对象，利用纳米二氧化钛p25吸附和光催化降解作用，通过检测废水处理以后的COD值（即化学需氧量）来分析纳米材料的吸附作用，从图1油墨废水降解率与纳米二氧化钛p25加入量的关系可以看出，随着二氧化钛p25纳米材料加入量的增加，13ml油墨废水吸附和降解率不断增大；当二氧化钛p25纳米材料的加入量为0.2～0.6mg时，油墨废水降解速率达到最快；当二氧化钛p25纳米材料加入量为1mg时，吸附和降解率可达95.25%。

二氧化钛光催化剂虽然可以氧化处理包装印刷废水，但是需要在紫外光的照射下才能实现，而太阳光中紫外光只占4%，这无疑限制了二氧化钛光催化剂的光催化性。于是，研究人员便将对其进行升级改良，即纳米活性炭负载TiO2/Ag，这种物质可有效吸附和降解水性油墨中高COD值的污染物丙烯酸树脂，且不受紫外光的限制。

以某包装印刷企业800ml水性油墨废水为研究对象，使用0.8g纳米活性炭负载TiO2/Ag对其进行吸附与光催化降解。如图2所示，在条件相同的情况下，纳米活性炭负载TiO2/Ag与只有紫外光照射的TiO2微粉相比具有更好的吸附和光催化性能。同时，吸附降解相同量的废水，纳米活性炭负载TiO2/Ag的用量比TiO2微粉少十几倍。可见，经改良以后的二氧化钛不仅吸附与光催化效率高，而且用量低，可有效降低成本，提高包装印刷企业的效益。

利用纳米材料来处理印刷废水具有操作简单、价格便宜、可重复利用、不产生二次污染物等优点。经过纳米材料吸附和光催化降解以后的废水达到国家废水排放标准，响应了国家绿色印刷的发展要求。此外，与传统的废水处理发方式相比，纳米材料光催化降解包装印刷废水能耗少，可以减少包装印刷企业解决废水的投入成本，提高企业利润，促进包装印刷行业的可持续发展。

一维纳米材料的制备、表征及应用 篇7

所谓一维纳米材料是在二维方向上为纳米尺度, 长度上为宏观尺度的新型材料, 早在1970年法国科学家就首次研制出直径为7 nm的碳纤维。1991年日本用高分辨电子显微镜发现了碳纳米管[1], 推动了整个一维纳米材料的研究。近十年里, 人们利用各种方法又陆续合成了多种一维纳米材料, 如纳米管、纳米棒、纳米线、半导体量子线、纳米带和纳米线阵列等, 随着一维纳米材料家族成员日益增多, 科学家对这些新型材料的实验研究, 将为进一步研究纳米结构和准一维纳米材料的性能, 建立一维纳米材料的新理论, 推进它们在纳米结构器件中的应用奠定基础[2]。

1 一维纳米材料的制备

1.1 超声波化学法

超生波化学法是引入超生辐射技术, 利用超声波作用于溶液引起的超空化效应, 加速和控制化学反应, 提高反应效率, 从而制备纳米材料的一种新方法, 其基本原理如图1所示, 方法简单是其最大的特点。

Xia等[3]以此法制得了硒的纳米线。他们首先采用过量的联氨还原硒酸得到了球状的无定形硒胶体 (粒径约在0.1~2μm) , 然后进行干燥、在醇中重新分散并对其施加超声辐照。开始时由于声空化作用在胶体表面产生晶种, 随后胶体不断消耗, 直至完全长成纳米线。Zhu等[4]将Bi (NO3) 2, Na2S2O3和三乙醇胺 (TEA) 的水溶液在20 k Hz, 60 W·cm-2的高强度超声下辐照2 h, 制得了直径10~15 nm, 长度60~150 nm的Bi2S3纳米棒。产品结晶度良好、形貌均一, 且纯度较高。

1.2 模板法

该法是制备纳米材料的一种重要的方法[5], 它是将某些多孔材料 (多孔阳极氧化铝膜、聚碳酸酯膜、多孔硅、介孔沸石等) 为模板, 通过模板的空间限制, 利用物理或化学的方法输运反应物, 采用电化学交流沉积、化学气相沉积等方法在模板中沉积金属、半导体、碳等物质, 而得到在衬底上沿一维方向有序生长的纳米结构材料的方法, 此法成本较低, 使用较多, 属于间接制备的方法。

采用多孔氧化铝膜为模板制备纳米碳管国内外已多见报道, Xu[6]合成了镉的二氧族化合物纳米阵列。吡咯/噻吩导电聚合物纳米纤维阵列由陆梅等获得[7]。以纳米碳管为模板可以制备不同材料的纳米线, 清华大学范守善等[8]提出用通过纳米碳管制备氮化物纳米线的设想, 并成功地制备了Si3N4、Si2N2O和Ga N纳米线。

1.3 蒸发冷凝法

蒸发冷凝法是一种简单的物理制备方法, 但是对于材料要求较高或者需要催化剂。1998年, 北京大学俞大鹏等采用简单物理蒸发法成功制备了硅纳米线[9], 获得了直径12~18 nm, 长度为几十到几百微米的Si纳米线。2001年王中林[10]用这种简单的方法制备了一种新的一维纳米材料———纳米带。蒸发冷凝法的主要参数为温度、蒸发速率、反应时长、载气类型、流速以及压力。温度对于合成材料的形貌是一个重要的参数, 影响材料的蒸发速率以及临界尺寸。Li Quan等[11]在1 200℃的条件下合成了Zn S纳米带, 而Wang Yewu等[12]的合成温度为900℃, 得到的产物却是纳米线。初步认为是由于形成位置的温度等参数不同造成。

1.4 化学气相反应 (CVD) 法

化学气相反应 (CVD, 又称化学气相沉积) 法是指反应物经过化学反应后蒸发和凝结过程后, 在基体上沉积从而生成纳米材料的一种方法, 早在1976年A。Oberlin等[13]就研究了用金属催化C2H2来制备碳纤维的方法。这种方法, 该方法具有设备简单, 产量大等特点, 可以获得质量较好的一维纳米材料, 但是对于材料有一定限制。图2是Haber等根据VS (vaporsolid) 机理, 将10~200 nm的Al颗粒与N2在1 000~1 100℃下反应得到的纳米须及纳米晶粒, 图3是王广厚等把装有Al粉的瓷舟放人一端开口的8 mm口径的石英管中。放在氨气氛中加热到1 050℃。然后依次减小氨气流率, 并最后降低到环境温度, 在瓷舟表面和石英管内表面得到的灰白色AIN纳米线产物。

1.5 溶剂热法

此法一般是将反应物按一定比例加入溶剂, 然后放到高压釜中以相对较低的温度反应。在这种方法中, 溶剂处在高于其临界点的温度和压力下, 可以溶解绝大多数物质, 从而使常规条件下不能发生的反应可以进行, 或加速进行。溶剂的作用还在于它可以在反应过程中控制晶体的生长, 实验证明使用不同的溶剂可以得到不同形貌的产品。如钱雪峰等[14]以水和乙二胺以及二者不同比例的混合物作溶剂, 制得了带状、树枝状、花瓣状等不同形貌的Cd S纳米结构。钱逸泰等[15]在水热的条件下以甲酰胺还原碲酸钠制得了碲的纳米管, 并提出成核-分解-重结晶的机制。图4是样品在反应过程中不同时间的SEM照片。

1.6 微乳液法

微乳液是一种高度分散的间隔化液体, 水或油相在表面活性剂 (助表面活性剂) 的作用下以极小的液滴形式分散在油或水中, 形成透明的、热力学稳定的有序的组合体。其结构特点是质点大小或聚集分子层的厚度为纳米量级, 分布均匀, 为纳米材料的制备提供了有效的模板或微反应器。赵永明利用微乳液法合成了Co纳米纤维[16]。用正辛烷、CTAB、正己醇为阳离子表面活性剂, 加入Co Cl2水溶液, 然后慢慢滴加水合联胺, Na OH调节p H值为13, 将乳液移入聚四氟乙烯塑料反应釜中, 90℃反应4 h时得到银灰色的乳液, 自然冷却, 丙酮破乳, 水洗, 可得到钴纳米纤维。

1.7 热分解前驱体法

热分解前驱体法是在一定表面活性剂中制得前驱体, 然后在适当温度下焙烧前驱体使其分解获得一维纳米材料。Xu等[17]用热分解Cu C2O4、Sn C2O4和Zn C2O4前驱体的方法分别获得了相应氧化物的纳米棒, 直径为几十纳米, 长度在几微米左右, 皆为单晶。制备过程为 (以Cu O为例) :将Cu (Ac) 2和H2C2O4以摩尔比为1∶1的混合物与适量摩尔比为1∶1的NP-5和NP-9的混合物在适当的温度下放置一段时间, 洗涤所得的沉淀, 干燥得Cu C2O4前驱体, 950℃将前驱体与Na Cl一起焙烧2 h得Cu O纳米棒。

2 一维纳米材料的表征方法[18]

一维纳米材料在两个方向的尺寸均在纳米量级, 电子被局限在一个狭小的空间, 尺寸的减小使得电子的局域性和相干性增强, 量子效应使得纳米材料有不同于常规材料的光、电、磁、热等特性, 并且比表面积大大增加, 从而使纳米材料的活性增加。为了了解一维纳米材料所具有的特殊性能以及更好地指导设计和构造新的纳米功能器件, 就必须拥有特殊的表征方法来展示一维纳米尺度下材料所具有的结构和性能, 通过对纳米材料的表征来调整制备方法从而对它的尺寸、形貌、晶相、结构进行有效控制。

场发射扫描电子显微镜则能以更高分辨率观察固体样品表面显微结构和形貌, 是研究材料表面结构与性能关系的重要工具。高分辨透射电镜可以观察物质的原子像, 是研究各种材料的超微结构与性能关系所不可缺少的工具, 高分辨电镜可以非常清晰观察到一维纳米材料表面粗糙度, 表面起伏并可以从晶格间距和原子像有无变化而确定杂质以某种方式存在。

X射线衍射用来确定物质中的原子在空间的分布, 反映晶体结构的平移对称性, 特别适合对单晶和多晶结构的分析。由于纳米带在侧面的原子数要远小于其它晶格面, 从而纳米带与纳米颗粒在衍射峰强度上稍微有些区别。

STM除具有一定的横向分辨本领外, 还具有极优异的纵向分辨本领, STM的横向分辨率达0.1 nm, 在与样品垂直的z方向, 其分辨率高达0.01 nm。并且STM对样品的尺寸形状没有任何限制, 不破坏样品的表面结构。

3 一维纳米材料的应用[19,20]

表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应是纳米材料的基本特性, 使得纳米材料在光学材料、复合材料、传感器、催化剂等方面有广阔的应用前景:

(1) 光电器件:一维纳米材料的直径小, 存在显著的量子尺寸效应, 特有的光吸收、光发射、光学非线性性质, 使其在非线性光学仪器、分子器件、光电器件、新型电子器件以及半导体技术等方面有广泛应用。

(2) 传感器:一维纳米材料的电学输运性能随其所处环境、吸附物质的变化而变。通过对其电学输运性能的检测, 就可能对其所处的化学环境作出检测, 可用于医疗, 环境, 或安全检查。

(3) 催化剂:Ti O2的重要应用是作为有机分子光催化剂, 而Ti O2纳米线具有很大的表面积, 分解有机物的速度将会增加, 这意味着催化速度的增加。

(4) 电池:纳米碳管、Mn O2纳米纤维、V2O5纳米管、Co纳米纤维等一维纳米材料作锂离子电池的正极和负极材料的实验研究表明, 具有充放电容量高, 循环性能好的优点, 预计在未来的新型电池研究和开发中会发挥更大的作用。

(5) 功能复合材料:一维纳米材料与其他材料复合而成的复合材料, 具有良好的物理性能, 高的杨氏模量, 材料的载流能力可大大提高。另外, 机械性能、压电性能、电致发光方面的应用研究也有报道。

参考文献

纳米材料的应用与发展前景 篇8

纳米是英文namometer的译音,是一个物理学上的度量单位,简写是nm。1纳米是1米的十亿分之一,相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说,相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样,纳米是一个尺度概念,并没有物理内涵。纳米技术,是指在0.1~100纳米的尺度里,研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中,发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,显着地表现出许多新的特性,而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术,就称为纳米技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出,纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。然而我们将就纳米技术在现实生活中的应用来看看纳米技术的应用前景。

2 纳米技术的应用

关于纳米技术在显示生活中的应用,主要就是纳米材料的应用在生产生活中日益广泛。

2.1 纳米材料的莲花效应

莲花虽生长于池塘的淤泥中,但它露在水面上的莲花荷叶却出污泥而不染,美丽而洁净,它可说是运用自然的纳米科技来达成自我洁净的最佳实例。照理说荷叶的基本化学成分是多醣类的碳水化合物,有许多的羟基(-OH)、(-NH)等极性原子团,在自然环境中很容易吸附水分或污垢。但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠,且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面,使叶面始终保持干净。经过科学家的观察研究,在1990年初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析,莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成,并非想象中的光滑,而此细致的表面的结构是精确度到微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物,再加上表面所存在的蜡质,这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时,只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状,藉由液滴在滚动中吸附灰尘,并滚出叶面,这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面「自我洁净」的奥妙所在。利用莲花效应,中国是在世界上第一个做出仿荷叶结构的防水纳米布的国家,是中科院化学所做出来的。用颗粒大小为20纳米左右的聚丙烯水分散液,浸轧,光照。使颗粒粘结在纤维表面上,形成凸凹不平的表面结构,成为双疏材料,即疏水又疏油。用油或水往这种布上倒,都不会浸湿,也不会玷污。我们用这种材料做成衣服,就会防水。如果用这种材料处理玻璃,做成表面凸凹不平的结构,看起来没有任何问题,但不会结雾,不会沾水。可以从荷叶超强的疏水性,我们可以制作类似荷叶上有纳米材料的雨伞,就像“荷叶面”雨伞,撑雨疏水,抖水即干,不必担心带到室内会滴水了。

2.2 纳米阻燃剂

纳米阻燃剂可分为无机纳米微粒阻燃剂和纳米复合物阻燃剂两种。无机阻燃剂是应用最早的阻燃剂,它具有无毒、低烟、不产生腐蚀性气体、无二次污染的优点。无机阻燃剂通常通过填充方式添加到高分子材料中,制备成高分子阻燃材料。传统的无机阻燃剂的粒径较大,而且不均匀,直接影响其阻燃性和其他性能,因此,为更好地发挥阻燃效果,无机阻燃剂的超细化将是今后的发展方向。采用纳米技术将无机阻燃剂微粒细化,使其粒径在纳米级的范围内,使微粒的大小和形态都更均匀,就能大大地减少阻燃剂的添加量,从而减轻对织物性能的影响,克服无机阻燃剂的最大缺点。超细化的氢氧化镁、二氧化二锑以及氢氧化铝、硼酸锌等无机阻燃剂,均已广泛应用于阻燃材料中。用其做窗帘,墙纸,遇上着火,既不会燃烧,也可以防患与未然。

2.3 纳米技术电池

所谓的纳米技术电池,就是在电池的制造过程中,采用纳米技术材料或者制造工艺,生产制造出具有特别高性能的电池产品。随着电子技术的高速发展,人们对电池的需求量愈来愈多,人们总是希望得到一种容量大、功率高、性能优、价格廉的电池。但是,由于客观实际的限制,在现实中的电池总是无法全面满足人们的要求。电池界的专家学者在孜孜不倦的追求着电池性能的提高,经历了一代又一代人的不懈努力。纳米级的物质被应用在电池的制造中,就会产生显着的特性。强大的比表面活性能量和良好的导电性能,在参与电化学反应的时候,纳米颗粒物质在极板内部形成新的活性物基核,改善和增强电极结构,极大地提高电极的电化学反应表面,降低了电化学反应的能垒。因此,纳米技术材料的应用可以显着的降低蓄电池的内阻,抑制蓄电池在充放电过程中,因为温度和电极极化等原因而导致的极板钝化,从而有效的提高电池的性能,使得蓄电池电化学反应的可逆性更好、充放电效率更高、功率更大、电池更加容易均衡一致、低温性能限制改善。因此,采用纳米技术材料的蓄电池,其容量比常规电池的容量高,寿命比常规电池寿命长,大电流工作能力比常规电池强,低温性能比常规电池优。纳米技术电池的显著优点更主要集中表现在电池使用的中后期。一般情况,纳米技术电池前期对容量及功率的改善效果只是常规电池的5%~15%,中期对容量及功率的改善效果比常规电池高出20%~30%,后期对容量及功率的改善效果比常规电池高出可以达到50%以上。新纳米技术电池的种类有:纳米技术型免维护中低倍率镉镍蓄电池;纳米技术型免维护烧结式超高倍率镉镍蓄电池;纳米技术型免维护阀控式密封铅酸电池;纳米技术型锌镍动力电池。

2.4 纳米塑料

通用塑料指聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)和丙烯酸类塑料等大塑料品种。对于这类塑料的改性,过去多是采用加入填充料的方式,首先是为了降低成本,后来是为了增韧来得到工程塑料,并进一步向塑料功能化发展,通过添加料的方法得到具有导电、抗静电、热塑磁性和压敏等功能的塑料。纳米材料的出现,为加型塑料提供了广阔的空间。通用塑料首当其冲,纳米技术最早就是用于通用塑料的改性。例如:纳米碳酸钙对高密度聚乙烯的改性,在加入碳酸钙的质量分数为20%以下时,其耐冲击强度随加入碳酸钙的增加而增加,拉伸和弯曲强度也有所提高。在此,填料有一个最大加入百分比,即有一个加入最大值,而且,该值和碳酸钙的表修饰类型有关。未经表面修饰处理的纳米碳酸钙填充体系的冲击强度随碳酸钙用量呈逐渐增加趋势,碳酸钙用量越多,材料冲击强度越大。经表面处理后,材料的冲击强度随碳酸钙用量变化规律已完全改变。材料在低纳米碳酸钙含量(约4%~6%)时即实现增韧目的,冲击强度提高接近一倍,增韧效果显著;当碳酸钙用量进一步增加时,材料的冲击强度呈缓慢下降。几种表面处理剂对拉伸弯曲性能的影响基本相同;与处理体系相比,表面处理后材料的拉伸、弯曲性能并无明显改善。由处理和未经处理的两种试样冲击断面和断抽图SEM照片可知,经过处理体系的冲击断面上有较多牵伸结构,拉丝较多;基体上无明显可见裂纹,基体发生明显的塑性变形,吸收了大量能量。脆断面的电镜表明纳米粒子分布均匀,附聚团粒小。未经处理体系的冲击断面上出现有许多断裂裂纹,是导致冲击强度较低的原因;且未经处理的试样,粒子分布不均,附聚颗粒较大。

2.5 可以抗紫外线的纳米材料

研究和开发防紫外线的功能性织物,是目前国际化纤纺织业的重点。目前,传统的抗紫外线纺织品主要采用共混熔融纺丝法,该方法将抗紫外线添加剂与成纤聚合物共混并一同进行熔融纺丝,抗紫外线添加剂多为有机化合物,存在一定的毒性和刺激性,容易造成皮肤化学性过敏。近年来无机紫外线遮蔽剂的研究突飞猛进,纳米TiO2是其中优秀代表。上海交大“纳米氧化钛(TiO2)抗紫外线纤维”通过了上海市科委组织的专家鉴定,纳米TiO2具有较高的化学稳定性、热稳定性、无味、无毒、无刺激性,使用安全,尤其是吸收紫外线能力强,对UVA区和UVB区紫外线都有屏蔽作用,可见光透过率大。采用该项目具有自主知识产权的纳米氧化钛与聚酯原位聚合方法,制备纳米TiO2/聚酯复合材料,真正实现了纳米颗粒在高聚物中的纳米级分散,不仅提高了纺丝效率,而且使材料的力学、热学性能得到了较大提高,织物的紫外线屏蔽指数大于50,在280~400纳米波段紫外线屏蔽率大于95%,紫外线透过率小于3%。据悉,该项目成果可广泛应用于生产帐篷、遮阳伞、夏季女装、野外工作服、训练服、运动服、窗帘织物、广告布等。采用本技术的抗紫外线织物还具有防暑、隔热、触感凉爽的性能,特别适宜织造高档T恤衫、运动服、训练服等夏季凉爽面料。据统计,世界功能性纺织品的需求量超过500亿米,我国功能纺织品的需求量近50亿米。纳米TiO2抗紫外纤维技术市场前景将非常广阔。

3 纳米科技的发展前景

激动人心的纳米时代已经到来,人们的生活即刻将发生巨大的变化,然而,我们也要清醒地看到,市场上真正成熟的纳米材料并不是很多。中科院院士白春礼院士认为,“真正意义的纳米时代还没有到来,我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。”白春礼说,“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。”纳米科技发展到今天,距离纳米时代的到来还有多远呢,白春礼说,“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中,在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究,纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平,人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间,50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。”

摘要：很多人都听说过“纳米”这个词,但什么是纳米,什么是纳米技术,可能很多人并不一定清楚。着名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾经预言: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。

纳米材料应用 篇9

关键词：纳米,纳米材料,纳米技术,智能材料

材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材料是物质, 但不是所有物质都可以称为材料。材料是人类赖以生存和发展的物质基础。20世纪70年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。80年代以高技术群为代表的新技术革命, 又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。新材料的出现以及材料科学技术的重大突破, 都会引起科学技术的重大变革, 都会加速社会发展的进程。纳米科技是上世纪末才逐步发展起来的新兴科学领域, 它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础, 许多科技新领域的突破都迫切需要纳米材料和纳米科技支撑, 传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。

1 纳米及纳米材料

纳米是物理上的长度单位, 用nm表示。1m等于10亿nm。l纳米相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说, 相当于万分之一头发丝粗细。长度单位主要有;光年、千米、米、分米、厘米、毫米、丝米、忽米、微米、纳米、埃。所以纳米是长度单位中非常小的单位。用肉眼是看不到这么小的长度, 所以必须利用显微镜才能观察到。纳米是一个长度单位, 本身并没有物理内涵。当物质颗粒大小达, 到纳米尺度以后, 大约是在lnm~100nm这个范围空间, 物质的性能就会发生突变, 出现特殊性能。这种既不同于原来的原子、分子, 也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料, 即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米, 而没有特殊性能的材料, 也不能叫纳米材料。第一个真正认识判定它的性能并引用纳米概念的是日本科学家, 他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子, 并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后, 它就失去原来的性质, 表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此, 像铁钴合金, 把它做成大约20nm~30nm大小, 磁畴就变成单磁畴, 它的磁性要比原来高1 000倍。80年代中期, 人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

2 纳米材料的种类

纳米材料分为纳米颗粒和纳米固体, 纳米颗粒 (颗粒的尺寸, 一般指直径不超过10nm最大不超过100nm) 也称超微粒。纳米固体也称为纳米结构材料, 由纳米颗粒凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维等统称为纳米固体。

3 纳米材料的制备方法

纳米材料的制备方法很多, 一般有物理的、化学的、机械的方法等等。最常见的方法是在惰性气体环境中采用凝聚技术制备纳米材料。制作过程就是将金属原材料置于一个电加热的蒸发皿中, 然后将蒸发皿放在充满惰性气体的密闭容器内加热蒸发。在蒸发皿的上部放置一个冷凝系统使得受热蒸发的金属原子 (或原子簇) 在冷凝器外壁沉积下来, 蒸发、冷凝过程结束后, 抽出惰性气体, 在真空状态下, 取下冷凝器上的金属微细颗粒。压制成块, 便得到这种金属的纳米固体材料。纳米材料制备技术迫切需要解决的问题是如何提高制备的速度和率, 降低成本, 尽快使纳米材料的科学技术转化为生产力。

4 纳米材料的奇异特性

在纳米量级内, 物质颗粒的尺度已经很接近原子的大小。材料的纯度越来越高, 缺陷却越来越少。因而, 纳米结构材料与普通结构材料相比, 在力学、磁学、光学、声学、电学、热学等方面都有很大差异。第一, 强度和硬度都有很大提高。例如, 由纳米的铁晶体颗粒压制而成的铁纳米结构材料与普通钢铁材料相比, 强度提高12倍, 硬度提高超过100倍;第二, 熔点降低。例如金的熔点为1 064℃, 加工成10nm左右的粉末的熔点降到940℃, 加工至2nm左右时, 熔点降到327℃;第三, 表面活性增强, 具有很强的催化作用。因纳米材料是由众多尺度很小的纳米颗粒所制成。表面积显著增大, 表面能也相应增加, 同时随着颗粒尺度的藏小, 颗粒表面的原子数占颗粒的总原子数的比例迅速增大。因此, 纳米颗粒的表面活性大大增强, 因而使材料具有很强的催化作用, 例如:在火箭燃料中添加少量的镍纳米颗粒。可以成倍提高燃料的燃烧效率;第四, 纳米颗粒对光有极强的吸收能力。例如, 金属纳米颗粒对光的反射率很低, 一般低于1%, 所有的金属在纳米颗粒状态下都呈现为黑色。纳米颗粒尺寸越小, 材料颜色越黑。第五, 材料的磁学性能和电学性能与常规材料却有很大差别。很多在常规下导电的物质, 当制成纳米材料时就不导电了, 而不导电的物质在制成纳米材料后却能够导电。

5 纳米材料的神奇妙用

第一, 纳米陶瓷发动机。一般材料制成的发动机所能承受的温度比较低, 燃料因此不能充分燃烧, 不仅效率低, 造成能源的浪费, 而且会污染环境。陶瓷材料所能经受的温度比金属高得多, 因此纳米陶瓷发动机具有耐高温、效率高、燃料能充分燃烧、减少大气污染等优点;

第二, 纳米传感器。可用纳米材料制成光传感器、可燃气体泄漏报警器、湿度传感器等等;

第三, 可制成纳米微机械零件与微电子器件, 从而使未来的计算机、卫星、电视、机器人等的体积变得越来越小;

第四, 纳米催化剂。铜的纳米颗粒是冶金和石油化工中的优良催化剂, 在制造高分子聚合物化学工业的反应中, 铜的纳米颗粒催化剂有极高的活性和选择性;

第五, 纳米光学材料。纳米材料具有普通光学材料不具备的光学特征。因而在现代的光学通讯中有着许多重要的应用。用纳米材料制成的光纤材料可能降低传输光信号的损耗;

第六, 纳米机械—细菌大小的机器人。用纳米技术可以制成比细菌还小的机器人。这种机器人中的发动机, 依靠人体细胞中一种叫做磷酸腺苷的物质分子所驱动, 这种物质能够给细胞提供能量。可以用这种机器人来治疗心脑疾病;

第七, 碳纳米管的妙用。所谓碳纳米管是指一种栅网组成的胶带状的石墨薄片, 厚度只有一个碳原子大小, 大约在百万分之一毫米到百万分之十毫米之间。它具有极高的强度和柔软性以及极强的导电能力。主要用来制成人工肌肉、航天器的燃料储罐等等。

参考文献

[1]李春霞, 李立平, 酒金婷, 王柏华.纳米粒子的表面改性研究进展[D].第二届功能性纺织品及纳米技术应用研讨会论文集, 2002.

钒酸盐纳米材料的制备与应用 篇10

钒酸银是对含有不同比例的银、钒、氧的一类复合化合物的总称。由于钒酸银复合物中银、钒、氧的配比不同, 因此钒酸银有许多不同的物理化学性能, 其合成应用的方法也不尽相同。

钒酸银复合物的合成和制备主要分为四种合成方法 (溶胶—凝胶法、水热法、固相法、微波法) , 其中固相法合成法是目前实验室应用最广泛的方法, 按照反应的原料种类不同, 固相合成法又可以分为合成及分解两种方法。

钒酸银的应用范围是比较广泛的, 首先它是一种化学试剂, 可以作为实验室里的一种试剂, 用于合成与制备其他的化合物。在生活中, 钒酸银可以作为锂电池的正极材料, 被广泛用于生物医学、电子、汽车等领域。

2. 钒酸铜的合成与应用

钒酸铜的合成制备方法比较少, 在以往的史料中, 外国科学家以Cu (NO3) 2和V2O5为原料, 采用共沉淀法在400℃温度下合成钒酸铜样品, 在600℃温度下合成具有高结晶性的α-Cu V2O6三斜晶系。Xiaoyu Cao等人采用溶胶—凝胶法在550℃下以V2O5和Cu2O为原料合成Cu V2O6钒酸铜样品。利用这些方法和条件得到的样品, 具有更小的晶格常数和更加优良的电气化学性能。在实验室中, 我们主要采用溶胶—凝胶法来合成钒酸铜。

纳米材料由于尺度比较小, 在等同体积条件下的材料中, 纳米材料具有更大的比表面积, 而比表面积的增大, 对于导电的纳米材料而言, 会提高两块材料间的质子扩散效率。钒酸铜纳米材料正是具有以上的优点, 当它作为电池的材料时, 会大大降低电池盒电极的电阻, 提高电池的充放电效率, 延长电池的使用寿命, 所以, 钒酸铜在锂电池中的应用具有很好的发展应用前景。同时, 由于钒酸铜的性质等的影响, 钒酸铜也被广泛应用于其他类的电子产品中, 如笔记本电脑、手机电话、摄影机、激光指南等现代电子设备中。

3. 钒酸铋的合成与应用

在Bi VO4晶体中, Bi显正三价, V显负五价。在自然界中常见的钒酸铋存在三种晶型形式, 即为四方白钨矿型、四方锆石型和单斜白钨矿型结构。在不同温度下反应, 会出现不同晶型结构的钒酸铋晶体。

钒酸铋 (Bi VO4) 在生活和生产中一直被用作黄色颜料, 并且钒酸铋性质优良, 是铋黄的主要成分;在钒酸铋的三种晶型中, 四方晶系单斜白钨矿型结构和白钨矿型结构的钒酸铋通常作为黄色颜料使用。而另一种四方晶系的锆石结构的钒酸铋由于其颜色为浅黄色, 颜色过淡, 不适合作为黄色颜料;但因为其性质优良, 而且还是一种安全环保的颜料, 因此它在食品和药品的着色等领域得到了广泛应用;同时它有较小的比表面积;但是在激发电子—空穴对的过程中, 它由于需要较长的迁移距离以及之后的重组而增加了能源浪费, 这些会导致光催化活性的降低。

4. 钒青铜纳米结构的合成与应用

钒青铜物质是指具有混价骨架结构的[VxOy] (通常是正四价和正五价的钒及正四价和正三价的钒) 。大约从1990年开始, 人们着手研究制备钒青铜的新型晶体结构, 并解析其结构和测试其性质, 发现这些钒青铜的层与层之间可通过电平衡作用连接插入层间的碱土金属离子、碱金属离子以及过渡金属离子等。在一定范围插入阳离子 (插入离子的数量非化学计量) 后的钒青铜仍可保持与原来结构相同的晶体结构。这些钒青铜的晶体结构大多数与[VxOy]晶体结构相同。

由于钒青铜的性质等方面的影响, 钒被广泛应用于工业催化、光催化、生物医疗等领域。

摘要：随着人们对材料科学研究的深入与能源危机的加剧, 关于金属钒及其化合物的研究取得重大成果, 并在各个行业中得到越来越广泛的应用, 被誉为“合金的维生素”。我国的钒矿资源丰富, 据统计, 总含量在世界上排第三位且分布比较广泛。钒矿主要是以化合态 (共生矿和复合矿) 形式存在于自然界中, 故钒的化合物种类繁多, 可多达百种, 而且结构复杂。正是由于钒的化合物种类繁多, 结构复杂, 因此不同结构的钒化合物具有不同的性能, 从而可满足不同领域的需求, 应用于各个行业和领域。未来金属钒及其化合物将具有更加广阔的应用前景。

关键词：纳米材料,钒酸银,钒酸铜

参考文献

[1]费海龙.纳米结构钒氧化物和钒青铜的制备及表征[D].天津:南开大学, 2009.

[2]唐致远, 邱瑞玲, 刘东兴, 等.锂一次电池正极材料钒酸银的研究发展[J].化工进展, 2008, (11) .

纳米材料应用 篇11

【关键词】石墨稀 制备 光催化

1.引言

石墨稀是一种新型的二维蜂窝状的碳纳米材料。碳原子以sp2轨道杂化成键，有着很强的稳定性、大的比表面积、高导电性能、磁学性能和高吸附性等物理化学性质。将石墨稀作为载体，与各类金属催化剂制备成的石墨稀纳米复合材料，拥有更强的催化性能和效果。石墨烯复合材料的研究已经在光催化、电催化、医药应用等领域中开展并取得了一定的成果。在光催化领域的应用研究显得尤为突出和重要。

2.石墨稀纳米复合材料的制备

目前石墨烯的主要制备方法有：机械剥离法、化学还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法等，其中化学还原法是最简单有效的制备方法，应用化学还原法制备石墨烯以及其复合物可分为4类。

2.1 使催化剂前体在还原后的石墨烯上生长，并且对石墨烯表面进行不断的化学修饰，可避免石墨烯薄片聚集，还可以增强石墨稀与催化剂之间的相互作用。通过验证证明，经化学修饰后的石墨烯复合物的互溶性及反应的活性位都得到了增强。

2.2 首先使有着完美结构的催化剂尽可能沉积在石墨烯氧化物的表面上。在石墨烯氧化物表面上，有大量含氧官能团存在，使得催化剂能够均匀地分布在其表面上。在经对搭载有催化剂的石墨稀氧化物进行还原，便可得到石墨烯复合物。

2.3 利用原位生长和还原法制备，就是先把石墨烯的氧化物同催化剂前体进行混合，再经化学修饰和还原，来制备石墨烯复合物的实验手段。常用的还原剂有硼氢化钠等。

2.4 利用一锅生长法来制备石墨烯的复合物，通常把石墨烯的氧化物和催化剂前体先在高压反应釜中进行直接混合，这样，石墨烯氧化物被还原的同时，催化剂也在不断的生长。最终得到具有较好作用的化学键的石墨稀复合材料。

此外，超声化学法也常用于制备石墨稀复合材料。即利用超声波引发的特殊物理和化学条件，来加强和改善液-固非均匀体系的化学反应过程，强化反应传质过程，进而控制晶体生长以及团聚的发展，得到粒度分布较窄的超细颗粒。

3.石墨稀纳米复合材料的光催化应用

3.1 石墨稀提高光催化剂效率的原因

通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成石墨烯复合材料，可以很好的改善催化剂的性能，弥补光催化剂本身的不足。使石墨稀与某些光催化材料复合，可以适当减小禁带宽度，提高对可见光的利用效率，提高该催化剂的光催化率。石墨烯有高导电性，当电子得到能量激发时，能够轻易地迁移到石墨烯片层结构中，降低激发电子与空穴复合的概率，提高其催化效率。石墨烯有大的比表面积，可以很好地吸附污染物，并通过激发电子和空穴的氧化产物-自由基处理污染物。由此可见，石墨烯不仅起到吸附污染物的作用，而且还可以为光催化反应提供良好的反应位。

3.2 石墨稀复合材料的光催化应用研究

刘辉等人通过控制钛酸丁酯在氧化石墨烯表面原位水解的方法制备石墨烯与二氧化钛复合光催化剂，并进行了性能测定。由石墨稀-二氧化钛的SEM分析可知，在石墨稀表面生成了密集的二氧化钛纳米层，该结构可以加速催化反应，提高光催化的效率。由石墨稀紫外分析可知，二氧化钛吸收发生红移，同时提高了吸收强度，扩大了吸收波长的范围，有效改善了二氧化钛的禁带宽度，提高光催化效率。降解罗丹明B模拟污染物测试结果表明，石墨稀-二氧化钛复合材料在可见光区域有较强的吸收，同时，由于其表面的罗丹明B富集度提高，进而提高了其光催化活性。

周田等人利用超声化学法制备了CdS与石墨烯纳米复合材料，并对该复合催化剂进行了性质分析和光催化实验。实验表明，CdS与石墨烯纳米复合材料的衍射峰明显变宽，石墨烯上负载的CdS 尺寸小，原因是石墨烯的存在，阻止了CdS 晶粒的长大和团聚。在石墨稀的片层结构上，均匀地密布着CdS微粒，并形成了大的纳米层。依据石墨烯的特性，可作为性能优良的电子接受体，CdS 纳米粒子因受光激发后，产生的光生电子会迅速从CdS 转移到石墨烯的片层表面，使发射强度减弱，复合材料的吸收曲线发生了蓝移，且发光强度有显著地降低。

3.3 总结

众多的研究都表明，通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成纳米复合材料，可以很好地改善催化剂本身的禁带宽度大、激发电子与空穴的负荷率高等的缺点；同时，利用石墨稀本身的物理化学特性，如优异的导电性、大的表面积的等，大大的提高催化剂的光催化效率。因此，石墨稀复合材料将广泛的应用于光催化领域中。

4.应用展望

经研究发现，水将会成为未来的新能源。目前，利用光能催化分解水制氢的研究主要集中于无机半导体催化制氢、光生物催化制氢和还原水制氢，而已有的光催化分解水制氢体系效率低下，只能在紫外光范围内工作。所以，通过选择适当的催化剂，并与石墨稀复合形成的复合材料，探索一种高效的光催化制氢的体系变的十分重要，并有着很大的潜在实用价值。这将为石墨稀复合材料提供广大的发展空间。

【参考文献】

[1]王保伟，孙启梅. 石墨烯在光催化水解制氢中的应用. 化工进展，2012，31（10），2245—2259.

[2]周田，陈炳地，姚爱华，王德平.CdS/石墨烯纳米复合材料的超声化学法制备及光催化性能. 无机化学学报，2013，29（2），231—236 .

[3]刘辉，董晓楠，孙超超.石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的制备及可见光催化性能研究.陕西科技大学学报，2013，30（1），23—28.

[4]魏翠，丁天英，陈冰冰，郑楠，石川. 银在光催化分解NO反应中的光催化行为研究 .分子催化，2010，24（ 3），268- 273.

纳米材料在石油工业中的应用 篇12

关键词：纳米材料,石油工业,应用

一、前言

纳米技术包括纳米材料和物质的获得技术、组合技术以及纳米材料在各个领域的应用技术。当普通材料被制成纳米材料后, 不但光、电、热、磁等特性发生了变化, 而且还会增加辐射、吸收、催化、杀菌、吸附等新特性。这些特点引起了油田开发工作者的注意, 并将其应用到石油开发和石油化工等领域。

二、纳米材料在石油上游领域中的应用

1、纳米材料在钻井工具材料上的应用

目前我国的油气资源探明程度还不高, 主要原因是钻探技术满足不了需求。钻探的难题必须通过新技术应用, 才能解决超深层勘探的问题, 同时提高钻井效率, 使综合钻井成本达到大幅度下降。

目前, 我国已经研究一种纳米复合涂料, 在钻具和井壁表面形成纳米膜, 大大降低钻具的摩擦阻力, 降低了钻大斜度井、水平井、多分枝井和大位移井的难度。另外对于一些小的器件例如:高压泥浆泵的缸套、活塞等, 利用纳米材料提高它们的耐磨、耐冲蚀性都将会带来巨大的经济效益。

2、纳米材料在钻井液完井液中的应用

纳米材料应用于钻井液和完井液可以有效解决井壁稳定和储层保护等钻井问题, 提高钻速, 缩短钻井周期, 减少钻井液对油气层长时间浸泡产生的岩壁不稳定性。

纳米材料在钻井液和完井液中的应用可通过在入井工作液中添加纳米相颗粒或纳米复合材料来实现。王佩平[1]等研究的正电胶/聚合醇/纳米乳液钻井液在应用中表现出了优良的性能:在较低密度底层钻进中未发生井壁失稳垮塌、阻卡等现象, 携砂能力强, 流变性好, 摩阻系数小, 用于易发生垮塌油气藏勘探开发, 有较好的的效果。

3、纳米材料在采油生产中的应用

近年来, 在纳米技术的基础上研究出一种纳米微乳, 是由油、水、表面活性剂和助表面活性剂组成, 具有热力稳定性和各向同性的多组分分散体系。随着石油新探明储量的减少, 如何提高其采收率, 使开采达到原始储量60%以上已经成为普遍关注的问题。在油田开发中, 二次采油时对低渗、低孔和低压油田, 普遍存在注入压力高、注水量小等问题, 不能有效发挥水驱的作用。如果在注水中加入一定量能够形成纳米微乳的增注剂, 可能解决这一难题。目前相关报道表明, 向井下注入微乳提高原油采收率已经取得显著成功。

4、纳米材料在采油堵水中的应用

油井出水问题在油田开发过程中普遍存在, 需对生产井实施堵水和调整注水井吸水剖面。油田进入高含水或特高含水期后, 调剖堵水难度加大, 推动了纳米技术进入该技术领域。用于调剖堵水的纳米材料较多, 可以满足不同的应用要求。

刘高友等[2]MgCl2·6H2O, AlCl3·6H2O和ZnCl2·6H2O以不同摩尔比配成盐溶液, 用氨水调溶液pH值在9.5~10之间, 经陈置、过滤洗涤、胶溶、干燥, 得到类水滑石纳米材料。该材料作为堵水剂, 多次室内模拟岩心流动实验中岩心堵塞率达98%以上, 具有良好的耐水、耐聚合物溶液冲刷能力。

就目前技术而言, 对几十微米微裂缝的地层, 只能采用表面活性可控的纳米悬浮和流固体系。采用纳米乳液防止储层损害和水锁效果突出;利用纳米乳液颗粒小尺寸和吸附效应, 在纳米级孔喉中形成典型的架桥封堵, 能有效堵水且易于返排, 同时能抑制黏土运移, 有效保护油气层。

5、纳米材料在破乳剂中的应用

纳米技术在破乳剂中的应用目前研究的比较少, 只有北京交通大学开展了这方面的研究, 研制的纳米破乳剂性能评价实验表明, 在破乳剂聚醚分子中通过化学反应键入纳米氧化物, 原有的有机高分子破乳剂用量可以节省10%~20%, 破乳脱水的时间可以加快30min左右, 脱水率也可以提高20%~30%。具有很高的实用价值。

三、纳米材料在石油工业下游领域的应用

1、纳米材料在石化催化剂中的应用

由于纳米材料颗粒的大小可以人工控制, 表面的键态和颗粒内部不同及表面原子配位不全等, 从而导致表面的活性部位增加;另外, 随着粒径的减小, 表面光滑程度变差, 形成了凹凸不平的原子台阶, 这样就增加了化学反应的接触面。这些性质为其在石油化工领域的应用提供了良好的前景。

研究表明纳米粒子对催化氧化、催化氢化、还原、裂解反应都具有很高的活性和选择性。纳米催化剂具有高的比表面积和表面能, 活性点多, 因而活性和选择性远远高于传统催化剂, 如以粒度小于100nm的镍与铜锌合金的纳米材料为主要成分制成的加氢催化剂, 加氢转化率是传统镍催化剂的10倍。

2、纳米材料在炼化厂净化分解毒气的应用

纳米材料比表面积大, 可与废气充分接触, 最大限度地吸附在表面;对紫外光等吸收能力强, 具有很强的光催化降解能力。以TiO2为代表的光催化剂可在常温下使多种有害毒气分解成无害无味物质。而光催化材料本身在反应过程并不消耗, 是一种理想的空气净化材料。目前, 采用纳米光催化技术净化分解硫化氢、甲硫醇和乙硫醇的研究已有不少报道。

四、目前存在问题及今后的研究方向[3]

纳米材料在石油工业上的应用才开始不久, 出现的问题也比较多: (1) 由于采油环境中与实验室有很大的区别, 目前实验室所取得的成果在现场应用中还存在很多问题; (2) 作为催化剂的纳米材料, 若直接以颗粒存在于反应体系中, 其抗污染性、回收难易以及活性再生等都是值得考虑的问题, 若在载体上附着, 其负载体对其活性、循环利用方式的影响, 也值得探讨。 (3) 纳米调剖材料的耐温耐盐性较差, 远不能达到温度高于100℃、矿化度高于8000mg/L的地层, 很有进一步研究的必要。

五、结论

只有石油业界与纳米业界寻求到共同的研发方向和目标, 形成产学研联合的有效形式, 以上种种问题和难点必会得到很好的解决, 而纳米技术也必将渗透到石油工业的每一个环节。

参考文献

[1]王佩平, 正电胶纳米乳液钻井液在胜利油田的应用[J], 江汉石油职工大学学报, 2006, 19 (4) :38-49。

[2]刘高友、郭雄华、程芙蓉, 一种纳米级阻聚堵水材料的试验研究[J], 江汉石油学院学报, 2003, 25 (3) :60。