纳米材料国内外研究进展Ⅱ——纳米材料的应用与制备方法 特厚钢板
朱世东;徐自强;白真权;尹成先;苗健
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【摘 要】由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途.本文就纳米材料的应用及制备方法进行了综述,并对其发展前景进行了展望.摩根轧机【期刊名称】《热处理技术与装备》
【年(卷),期】2010(031)004
【总页数】8页(P1-8)
【关键词】纳米材料;应用;制备方法
【作 者】风叶朱世东;徐自强;白真权;尹成先;苗健
【作者单位】西安交通大学材料科学与工程学院,陕西,西安,710049;中国石油天然气集团公司,
石油管力学和环境行为重点实验室,陕西,西安,710065;中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西,西安,710018;中国石油天然气集团公司,石油管力学和环境行为重点实验室,陕西,西安,710065;中国石油天然气集团公司,石油管力学和环境行为重点实验室,陕西,西安,710065;西安交通大学材料科学与工程学院,陕西,西安,710049;中国石油天然气集团公司,石油管力学和环境行为重点实验室,陕西,西安,710065
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【正文语种】中 文
【中图分类】TB383
纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次,是知识创新的亮点。在纳米领域发现新现象,提出新概念,认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础[1]。材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应 (如:小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等),因而出现常规材料所没有的一些特别性能,从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用[2]。
纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜
在应用极为广泛[3～5]。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。
纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出,随着纳米粒子的粒径的减小,微粒表面的光滑程度变差,凹凸不平的原子台阶逐步形成,能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性,可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度[6]。起化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有 3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属 (Ag,Pd,Pt,Rh等)的纳米粉末为主,Fe,Co,Ni等贱金属纳米粉末也得到了一定应用。一些金属纳米粒子作为催化剂时,除了提高反应速率外,还具有良好的选择性,并且这种选择性与纳米粒子的颗粒度有关。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上,能够进一步增加催化剂的选择性。目前,此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作 为催化剂,如将 MoS、ZnS、CdS和 FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃料后,对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用,同时不会增加尾气中的硫含量。
除化学催化作用以外,半导体纳米粒子的光催化作用已经引起人们的广泛重视并在催化降解有机物等方面得到了一定应用[7]。半导体纳米粒子在光的照射下,其价带电子可以跃迁到导带,价带的空穴能够把周围有机物中的一些电子夺过来,使有机物中的部分短链基团变成自由基,作为强氧化剂而使酯类、醇类、醛类和酸类有机物发生一系列变化,最终降解为 CO2。半导体纳米粒子的粒径越小,光生载流子越容易通过扩散而从粒子内部迁移到表面,光催化性能越好。将半导体纳米粒子做成空心小球,使其浮于水面上,利用太阳光对废水中的有机物、海面上泄漏的石油等进行降解已经得到应用。另外,TiO2纳米粉在光催化分解污水中的有机毒物、Y2O3、Eu3+纳米发光粉末在荧光灯,等离子体显示平板等众多方面,纳米发光材料使产品的性能获得更为显著的改进。特别是半导体硫化物纳米发光粒子在发光材料、非线性光学材料、光敏感传感器材料、光催化材料等方面均具有更为广阔的应用前景。
(1)生物学中。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20 nm的聚合物后,可以固定大量
蛋白质,特别是酶,从而控制生化反应[8]。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。以纳米尺寸去认识生物大分子的精细结构及功能的联系,按人类的意愿进一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于纳米技术的运用而变得更加可控,人类可以自己控制所需要的生物产品,农、林、牧、副等行业以及人类的食品结构也会随之发生重要变革,用纳米生物工程、纳米化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类。
(2)医学中。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向,是健康医学的要求。将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米 S iO2微粒进行了细胞分离;用金的纳米粒子进行定位病变,以减少副作用。由于纳米材料比红血球 (6～9μm)小得多,可以在血液中自由运动,因此可以注人各种对机体无害的纳米粒子到人体的各个部位,检查病变和进行 (如纳米 Au)。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙被细胞吸收、并可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射等多种给药途径等许多优点,因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。伯胺
(3)医疗工业中。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器,其过滤孔径为纳米量级,在医疗工业中可用于血清消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。纳米材料具有优异的吸附性能,可用作微生物吸附和选择分离的功能材料。并且纳米金属粉末还是制备动物生长素药物的添加剂。利用纳米技术将中药材制成极易被人体吸收的纳米粒子口服胶囊、口服液或膏药,不但克服了中药在煎熬过程中有效成分的损失及口感上的不足,而且可使有效成分吸收率大幅度提高。将制成的纳米中药膏直接贴于患处,纳米粒子很容易经皮肤直接被吸收。研发纳米中药产品是促进中药走向世界、提高产品附加值、实现传统中药产业升级的发展方向之一。用纳米技术将不易被人体吸收或毒性较大的药物或保健品制成纳米胶囊或纳米粒子悬浮液,则可制得前景可观的纳米保健品。一些具有生物活性的纳米材料,还可用于人造骨、人造牙、人造人体器官等。
纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。
(1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解决这
一问题。纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段[9]。利用纳米 TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻璃表面涂覆纳米 TiO2可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。它的出现使玻璃具有了自纳米净水剂的超强吸附和絮凝能力将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,然后使水通过由纳米磁性物质、纤维和活性炭组成的净化装置,除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物,再使水通过由纳米孔径的水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装成的过滤装置,可以将水中的细菌、病毒几乎 100%去除,得到完全可以饮用的高质量纯净水。
(2)在大气污染的治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题[10]。纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源。纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂,经它催化的石油中硫的含量达到国际标准。煤燃烧也会产生二氧化硫气体,如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂,不仅可以使煤充分燃烧,而且会使硫转化成固体的硫化物,而不产生二氧化硫气体。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原
性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房间的空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,目前已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有些是致癌物。研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%。以 55～70 nm的 CoT iO3负载到多孔硅胶或A12O3陶瓷载体上制成的石油脱硫催化剂可用于炼油脱硫工艺,催化效率很高,催化后石油中硫的含量可小于 0.01%;纳米 Zr0.5Ce0.5O2粉体负载到活性炭上,因其表面存在 Zr4+/Zr3+及 Ce4+/Cr3+电对,具有极强的电子得失能力,在氧化 CO的同时能够还原NOx,使它们转化为对人体和环境无害的 CO2和 N2气体,这种催化剂已经用于汽车尾气净化装置;纳米T iO2能够降解空气中的有机物、杀菌除臭并在杀死细菌的同时,降解由细菌释放出的有毒物质。
(3)城市固体垃圾处理方面的应用将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个方面[11,12]:一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物,成为再生原料回收;另一方面,可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。
(1)纳米陶瓷材料。普通的陶瓷材料都是通过高温高压使各种颗粒融合在一起制成的,纳米材
料因粒径小、熔点低以及相变温度低等特征,添加纳米颗粒使常规陶瓷的综合性能得到改善。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性均有显著提高。故在低温低压下就可作为原料制备质地致密、性能优异的纳米陶瓷,它具有坚硬、耐磨、耐高温及耐腐蚀的性能。比如把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合,已获得高韧性的陶瓷材料,烧结温度可降低 100℃。此外,纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应等,都将成为材料开拓应用的一个崭新领域。
纳米粉体也可使陶瓷改性,因为纳米颗粒表面积大,扩散速度快,因而烧结时致密化速度快,烧结温度低。在粗晶粉体中加入纳米 Al2O3可提高Al2O3的致密度和耐热疲劳性;把 Al2O3与 Zr O2纳米粉混合后,可得到高韧性的陶瓷材料,并使烧结温度降低 100℃;再如,美国 Argonne实验室 Siegel等人用惰性气体蒸发,原位加压制备了纳米 T iO2陶瓷,致密度达到 95%。在同样的烧结温度下,纳米陶瓷的硬度比普通陶瓷高,而对应相同的硬度,纳米陶瓷的烧结温度可降低几百摄氏度。
(2)高熔点材料的烧结。纳米材料的体积效应使得通常在高温烧结的材料,如 SiC、WC和 BC等,在较低温度下就可获得高密度的烧结体。此外,由于纳米微粒的粒径小,比表面大具有
烧结温度低、流动性好、扩散速率高以及烧结收缩大等特性,使其又可作为烧结过程的活化剂使用,可降低烧结温度、缩短烧结时间和加快致密化的速度,从而加速烧结过程。从应用的角度,发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本。在制备粉体的工艺上,除了保证纳米粉体的质量,做到尺寸和分布可控,无团聚,能控制颗粒的形状,还要求生产量大,这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。
