第一篇：納米材料論文

固體碳的新形態(tài)——碳納米管

材料科學(xué)與工程學(xué)院 無(wú)機(jī)092 李偉

099024259

摘要：碳納米管因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的商業(yè)價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)新型化工材料碳納米管的結(jié)構(gòu)以及制備方法的介紹，并說(shuō)明了制備納米管方法有石墨電弧法、激光蒸發(fā)法、催化熱解法等技術(shù)。同時(shí)也敘述了碳納米管在力學(xué)性能、光學(xué)性能、電磁學(xué)性能等性能的研究及其應(yīng)用。

Carbon nanotubes due to their unique structure and excellent physical and chemical properties, and has wide application prospect and huge commercial value.This article through to the new chemical material carbon nanotube structure and preparation methods are introduced, and a description of the nanotube preparation method with graphite arc method, laser evaporation method, catalytic pyrolysis technology.Also described carbon nanotubes on mechanical properties, optical properties, electromagnetism and so on and its application.關(guān)鍵詞:碳納米管

結(jié)構(gòu)

制備

應(yīng)用

前景

0 引言

碳元素以單質(zhì)和化合物廣泛存在與茫茫蒼穹的宇宙間和浩瀚無(wú)垠的地球上，是地球上一切有機(jī)生命體的骨架元素，并且在人類的發(fā)展史、文明史都扮演了不可或缺的角色。而作為一門新興技術(shù)的納米技術(shù)也開(kāi)始在人類的科學(xué)史上展現(xiàn)自己的實(shí)力。那么將這二者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，又將會(huì)對(duì)人類文明和科學(xué)進(jìn)步產(chǎn)生哪些貢獻(xiàn)呢？ 1991年新發(fā)現(xiàn)的碳家族的新成員——碳納米管（巴基管）因具有優(yōu)異的性能，其應(yīng)用前景不可限量。碳納米管因其特殊的結(jié)構(gòu)特征，故而表現(xiàn)出奇異的力學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等性質(zhì)，因此碳納米管得以在眾多領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。本文初步介紹了碳納米管的制備性能以及碳納米技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用。碳納米管的相關(guān)知識(shí)

1.1碳納米管的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)70年代末，新西蘭的P.G.Wiles和J.Abrahamson就調(diào)查過(guò)兩個(gè)石墨電極間通過(guò)產(chǎn)生火花生成碳纖維時(shí)，電極會(huì)被“小纖維簇”覆蓋，在1979年美國(guó)第14屆雙年度碳會(huì)議上，他們還對(duì)這種纖維進(jìn)行了電子衍射測(cè)定，發(fā)現(xiàn)其壁是由類石墨排列的碳組成。這些管像幾層晶體碳包在一起。實(shí)際上，他們已經(jīng)觀察到多壁碳納米管，但他們未能正確認(rèn)識(shí)，正是由于這個(gè)小小的失誤，使得發(fā)現(xiàn)碳納米管的功勞落到了日本電子公司（NEC）的飯島（S.Iijima）博士的頭上。飯島博士繼1991年發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管后，于1993年又合成了單壁碳納米管。1.2碳納米管的分類

碳納米管按照石墨烯片的層數(shù)分類可分為：?jiǎn)伪谔技{米管和多壁碳納米管。碳納米管按照其結(jié)構(gòu)特征可分為三種類型：扶手椅式納米管，鋸齒形納米管和手型納米管。

1.3碳納米管的性質(zhì)和性能

碳納米管為黑色粉末，無(wú)氣味，預(yù)計(jì)熔化溫度范圍為3652-3697℃，不溶于水，密度在20℃時(shí)為2.1g/cm3。

碳納米管具有良好的力學(xué)性能，包括較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)高硬度與良好的柔韌性等，此外，碳納米管的熔點(diǎn)是目前已知材料中最高的。另外，碳納米管還具有較低的密度，良好的導(dǎo)電性能，導(dǎo)熱性能，光學(xué)性能和儲(chǔ)氫性能。

1.4碳納米管發(fā)展史

1991年日本NEC公司飯島博士做實(shí)驗(yàn)時(shí)意外發(fā)現(xiàn)由管狀同軸納米管組成的碳分子，即現(xiàn)在的碳納米管，又名巴基管。

1993年，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到一層管壁的碳納米管，即單壁納米管產(chǎn)物。1997年，發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管的中空管可以儲(chǔ)存和穩(wěn)定氫分子[1]。1.5碳納米管的結(jié)構(gòu)

碳納米管中碳原子以 sp2雜化為主, 與相鄰的3個(gè)碳原子相連,形成六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu),但此六角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲, 可形成一定的sp3雜化鍵。單壁碳納米管(SW CNT)的直徑在零點(diǎn)幾納米到幾納米之間,長(zhǎng)度可達(dá)幾十微米;多壁碳納米管(MW CNT)的直徑在幾納米到幾十納米之間長(zhǎng)度可達(dá)幾毫米,層與層之間保持固定的間距,與石墨的層間距相當(dāng),約為 0.134 nm。碳納米管同一層的碳管內(nèi)原子間有很強(qiáng)的鍵合力和極高的同軸向性,可看作是軸向具有周期性的一維晶體，其晶體結(jié)構(gòu)為密排六方, 被認(rèn)為是理想的一維材料。碳納米管可看成是由石墨片層繞中心軸卷曲而成, 卷曲時(shí)石墨片層中保持不變的六邊形網(wǎng)格與碳納米管軸向之間可能會(huì)出現(xiàn)夾角即螺旋角.當(dāng)螺旋角為零時(shí), 碳納米管中的網(wǎng)格不產(chǎn)生螺旋而不具有手性, 稱之為鋸齒型碳納米管或扶手型碳納米管;當(dāng)碳納米管中的網(wǎng)格產(chǎn)生螺旋現(xiàn)象而具有手性時(shí),稱為螺旋型碳納米管。隨著直徑與螺旋角的不同, 碳納米管可表現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性。2.碳納米管的制備

2.1石墨電弧法

IIJI MA 通過(guò)電弧放電法首次得到了碳納米管。陽(yáng)極石墨電極在電弧產(chǎn)生的高溫下蒸發(fā),在陰極沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。用純石墨電極制備的碳納米管存在石墨碳納米顆粒、無(wú)定形碳等雜質(zhì),產(chǎn)量不高且分離困難。在石墨電極中加入Fe , Co , N i等催化劑可以降低反應(yīng)溫度, 擇優(yōu)生成碳納米管。

在反應(yīng)室中充入惰性氣體或氫氣, 采用不同的工藝條件,可制得單壁碳納米管或多壁碳納米管.WANG等[ 2]認(rèn)為, 與 A r , H e等惰性氣體對(duì)碳納米管的形成主要起冷卻作用相比, H2 具有更高的導(dǎo)熱率且可形成 C=H鍵,從而刻蝕非晶碳, 因此用H2作緩沖氣體合成的碳納米管更加純凈。成會(huì)明等開(kāi)發(fā)了半連續(xù)氫等離子電弧法, 陽(yáng)極由石墨粉和催化劑組成,陰極是一根石墨棒.用金屬絡(luò)合物催化,含硫化合物抑制雜質(zhì)生成,促進(jìn)碳納米管生長(zhǎng),在 H2 氣氛中電弧放電,單壁碳納米管 0.5 h的產(chǎn)量達(dá) 1g。

IS H IGAM I等在液氮環(huán)境下得到的多壁碳納米管, 產(chǎn)量可達(dá) 44 mg /min· cm2。LI Xue-song等提出水保護(hù)電弧放電法,碳納米管含量高于50%。TIAN等將煤粉和金屬粉末混合物直接注入等離子流,用煤電弧法合成了多壁碳納米管,省卻了復(fù)雜的煤基電極制作過(guò)程[2]。

在制備碳納米管的過(guò)程中,通過(guò)對(duì)電弧放電條件、催化劑、電極尺寸、進(jìn)料方式、極間距離以及原料種類等工藝條件進(jìn)行優(yōu)化, 電弧法變得日漸成熟。由電弧法得到的碳納米管形直, 壁簿(多壁甚至單壁), 但產(chǎn)出率偏低, 電弧放電過(guò)程難以控制, 制備成本偏高,其工業(yè)化生產(chǎn)還需探索。2.2 激光蒸發(fā)法

利用高能量密度激光在特定的氣氛下照射含催化劑的石墨靶,激發(fā)出來(lái)的碳原子和催化劑顆粒被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū), 在載體氣體中氣態(tài)碳在催化劑的作用下相互碰撞生成碳納米管.在1437k下, THESS等采用雙脈沖激光照射含Ni/Co催化劑顆粒的石墨靶, 獲得較大數(shù)量和高質(zhì)量的單壁碳納米管。陳文哲等用脈沖激光轟擊流動(dòng)的乙醇和鎳-石墨靶的固-液界面, 也制得了碳納米管.碳納米管的生長(zhǎng)主要受到激光強(qiáng)度、生長(zhǎng)腔的壓強(qiáng),以及氣體流速等因素的影響.此法得到的大多是單壁碳納米管,質(zhì)量高,但產(chǎn)量較低。2.3 催化熱解法

催化熱解法(CVD)又叫化學(xué)氣相沉積法, 含有碳的氣體流經(jīng)催化劑納米顆粒表面時(shí)分解產(chǎn)生碳原子,在催化劑表面生成碳納米管.催化熱解法又以催化劑存在方式的不同被分為基體法和浮游法等.基體法利用石墨或陶瓷等作載體,將催化劑附著于其上,高溫下通入含碳?xì)怏w使之分解并在催化劑顆粒上長(zhǎng)出碳納米管;浮游法就是直接加熱催化劑前驅(qū)體使其成氣態(tài), 同時(shí)與氣態(tài)烴一起被引入反應(yīng)室,在不同溫區(qū)各自分解,分解的催化劑原子逐漸聚集成納米級(jí)顆粒,浮游在反應(yīng)空間,分解的碳原子在催化劑顆粒上析出,形成碳納米管。此方法可連續(xù)生產(chǎn)。

載體的類型、催化劑的種類和制備方法、反應(yīng)氣體種類,以及流量和反應(yīng)溫度等對(duì)碳納米管生長(zhǎng)有較大影響。此方法的反應(yīng)過(guò)程易于控制反應(yīng)溫度相對(duì)較低, 產(chǎn)品純度較高, 成本低,產(chǎn)量高,適用性強(qiáng),現(xiàn)被廣泛用于碳納米管的制備。2.4 其他新型制備技術(shù)

在改進(jìn)傳統(tǒng)制備方法的同時(shí),研究者還積極探索新的碳納米管的制備技術(shù).例如開(kāi)發(fā)出增強(qiáng)等離子體熱流體化學(xué)蒸氣分解沉積法、電解法、低溫固體熱解法、離子轟擊生長(zhǎng)法、太陽(yáng)能法和水熱合成法等,但這些方法的制備工藝條件較難控制, 產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量都相對(duì)較低。3.碳納米管的性能極其應(yīng)用 3.1力學(xué)性能及應(yīng)用

碳納米管的強(qiáng)度比其他纖維的強(qiáng)度約高200倍,可以承受約 100萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓力而不破裂,這一結(jié)果比類似的纖維高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。碳納米管的韌性很好, 經(jīng)過(guò)多次反復(fù)大幅度的彎曲后不會(huì)發(fā)生明顯的斷裂, 碳纖維在彎曲約1 %時(shí)就會(huì)斷裂, 而碳納米管要到約18 %才會(huì)斷裂。碳納米管的納米尺度、高強(qiáng)度和高韌性特征,使其可以廣泛應(yīng)用于微米甚至納米機(jī)械。DAI成功地制備出用于原子顯微鏡(AMF)的碳納米管針尖, 這種針尖可以避免損害被觀察的樣件[3]。

碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度, 其機(jī)械沖擊性能、熱沖擊性能都得到了改善,斷裂韌性也有大幅度提高.例如, MA制成的碳納米管強(qiáng)化陶瓷材料,斷裂韌度是常規(guī)氧化鋁的5倍.在碳納米管 /高子復(fù)合材料方面,王平華制備了PC /碳納米管復(fù)合材料,改善了碳納米管與 PC相容性,使其拉伸強(qiáng)度及沖擊強(qiáng)度都得到了提高。

3.2 光學(xué)性能及應(yīng)用

李傳剛等采用長(zhǎng)度為 8~ 20mm純化處理后的雙壁碳納米管(外徑為 2 ~ 4 nm)薄膜制成燈絲, 與普通鎢絲燈泡對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),碳納米管燈絲具有發(fā)光效率高、電阻恒定和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是一種能源利用率非常高的發(fā)光材料。

對(duì)碳納米管的光學(xué)響應(yīng)研究發(fā)現(xiàn)：碳納米管的光學(xué)性質(zhì)與其形狀結(jié)構(gòu)密切相關(guān).單壁納米碳管的光吸收隨著壓力的增大而減弱,究其原因主要是壓力的變化導(dǎo)致納米碳管對(duì)稱性的改變。利用碳納米管天線制成的定相光學(xué)天線陣列, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)輻射波干涉的控制。

采用改進(jìn)的原子力顯微鏡可有效地構(gòu)造單根碳納米管紅外探測(cè)器.與傳統(tǒng)的紅外探測(cè)器相比,碳納米管紅外探測(cè)器具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快、暗電流小的優(yōu)點(diǎn)。

碳納米管的非線性光學(xué)性質(zhì)也引起人們很大的興趣.碳納米管的 3次非線性極化隨著手扶椅型碳納米管數(shù)目的增加而快速增加，表明碳納米管材料有很強(qiáng)的3次非線性光學(xué)性質(zhì)。CHEN等測(cè)試了單壁碳納米管 /聚酰亞胺復(fù)合物對(duì)光信號(hào)的時(shí)間延遲大約只有800fs這種亞皮秒級(jí)時(shí)間延遲使單壁碳納米管成為制作高質(zhì)量皮秒全光開(kāi)關(guān)很有潛力的材料[3]。3.3 電磁性能及應(yīng)用

美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)的研究人員成功制造出世界上第一個(gè)碳納米管晶體管陣列，是現(xiàn)在硅晶體管的1 /500，而且無(wú)需對(duì)它們逐個(gè)進(jìn)行處理[3]。

碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率, 在相對(duì)較低的電壓下就能夠發(fā)射大量的電子, 呈現(xiàn)出良好的場(chǎng)致發(fā)射特性,因而碳納米管可用于微波放大器、真空電源開(kāi)關(guān), 以及制版技術(shù)等。英國(guó)劍橋大學(xué)與法國(guó) Thales公司合作,研制了32 GH z的微波放大器[3]。

碳納米管還是一種新型超導(dǎo)材料。KASUMOV等研究表明，納米碳管在低溫區(qū)表現(xiàn)出超導(dǎo)性能，且具有很高的臨界超導(dǎo)電流。納米碳管的超導(dǎo)性能研究為熱敏電阻輻射器件的研制和開(kāi)發(fā)提供了條件。3.4 其他方面的應(yīng)用 3.4.1 儲(chǔ)氫材料

由于具有獨(dú)特的納米級(jí)尺寸、中空結(jié)構(gòu)和大的比表面積等特點(diǎn),碳納米管成為最有潛力的儲(chǔ)氫材料。成會(huì)明等采用氫等離子電弧法制備了單壁碳納米管,重約 500 mg的單壁碳納米管室溫儲(chǔ)氫量可達(dá) 4.2 w t ,并且 78.3 %的儲(chǔ)存氫在常溫下可釋放出來(lái)。3.4.2 催化劑材料

碳納米管在催化方面主要是當(dāng)載體來(lái)使用的。PLANEIX發(fā)現(xiàn)用多壁碳納米管負(fù)載 Ru的催化劑在肉桂醛加氫合成肉桂醇時(shí), 有高達(dá) 90 %的選擇性和 80%的轉(zhuǎn)化率, 而采用同樣分散度的Ru /Al2O3和Ru /AC時(shí), 分別只有20 % ~ 30 %和30 % ~ 40 %的選擇性。3.4.3 特殊吸附材料

水中很多微量重金屬元素或微量的有機(jī)物對(duì)人體非常有害，但常規(guī)的吸收劑很難滿足要求。王曙光等發(fā)現(xiàn)碳納米管負(fù)載氧化鋁復(fù)合材料在水中除氟能力是活性碳負(fù)載A l2O3 的15~25倍，是活性碳負(fù)載 A l 2O3的 3 ~ 4.5倍。王曙光等還將二氧化錳吸附在碳管上，可使碳納米管的吸附性能得到進(jìn)一步改善。另有實(shí)驗(yàn)表明，碳納米管二氧化芑的吸附能力明顯大于活性碳。3.4.4 吸波和隱身材料

碳納米管是一種有前途的微波吸收劑，可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。采用KOH進(jìn)行活化處理，可使碳納米管的微波吸收能力加強(qiáng), 吸收頻率寬化。清華大學(xué)的宋泳制備出碳納米管復(fù)合涂層吸波材料。石乃恩等對(duì)碳管進(jìn)行羥基化,再利用化學(xué)鍍使 Pd，Co，F(xiàn)e Pt金屬納米粒子成功地吸附在碳管表面,得到的介電損耗型復(fù)合結(jié)構(gòu)也具有較好的吸波性能。3.4.5 碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用

碳納米管除具有一般納米粒子的尺寸效應(yīng)外,還具有力學(xué)強(qiáng)度大、柔韌性好、電導(dǎo)率高等獨(dú)特的性質(zhì),成為聚合物復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體，在化工、機(jī)械、電子、航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但由于碳納米管易聚集成束或纏繞，而且與其他納米粒子相比，其表面是相對(duì)“惰性”的，在常見(jiàn)的有機(jī)溶劑或聚合物材料中的分散度低，這極大地制約了其廣泛應(yīng)用[4]。因此，對(duì)碳納米管的表面進(jìn)行改性已成為聚合物 /碳納米管復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)碳納米管表面改性的研究主要是在其表面引入共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵基團(tuán), 例如采用表面化學(xué)反應(yīng)改性、表面活性劑改性等，或采用聚合物分子對(duì)碳納米管進(jìn)行包覆改性等方法.近年來(lái)。還提出了紫外線照射、等離子射線改性等處理方法。表面改性的碳納米管用于聚合物復(fù)合材料可以顯著改善材料的力學(xué)性能、電性能和熱性能等。

4.碳納米管的現(xiàn)狀及前景展望

目前，各國(guó)在實(shí)驗(yàn)上對(duì)碳納米管的研究方興未艾，并都取得了一定的成就，美國(guó)發(fā)明了納米秤，日本制成了鉑填充的碳納米管，德國(guó)制備出直徑為lnm的碳納米管。我國(guó)個(gè)別研究成果雖然走在了世界最前沿，如合成出世界最長(zhǎng)的碳納米管、高質(zhì)量碳納米管儲(chǔ)氫的研究等，但在納米科技領(lǐng)域的總體水平與美日歐相比，差距還很大。

各國(guó)主要面臨以下兩個(gè)共同問(wèn)題，使得碳納米管不能真正得到工業(yè)應(yīng)用。①如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量碳納米管的連續(xù)批量工業(yè)化生產(chǎn)。碳納米管制備現(xiàn)狀大致是：多壁碳納米管能較大量生產(chǎn)，單壁碳納米管多數(shù)處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，某些制備方法得到的碳納米管生長(zhǎng)機(jī)理還不明確，對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)(管徑、管長(zhǎng)、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的結(jié)晶度等)還不能做到任意調(diào)節(jié)和控制，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)量及產(chǎn)率的因素太多(如催化劑顆粒的大小、碳源的種類、溫度、混合氣體的種類及比例等)，使制得的碳納米管都存在雜質(zhì)高、產(chǎn)率低等缺點(diǎn)，還沒(méi)有高效的純化碳納米管的方法。②如何更深入研究碳納米管實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題。例如，在常溫常壓下如何解析氫氣及加快其儲(chǔ)氫放氫速度。如何提高碳納米管吸附容量的穩(wěn)定性和吸附壓力的敏感性。再如，怎樣才能制備出性能更為優(yōu)異或能預(yù)期其性能的碳納米管復(fù)合材料。要解決這些共同難題，就需要研究人員們一方面突破技術(shù)關(guān)鍵，進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)新的、成本低廉、適合于大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管的技術(shù)，通過(guò)建模和模擬來(lái)加強(qiáng)生長(zhǎng)現(xiàn)象與機(jī)理研究；另一方面繼續(xù)深入研究其應(yīng)用，把碳納米管與各個(gè)領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮其自身優(yōu)異的特性。

另外，最近碳納米管又出現(xiàn)一新的研究方向，即碳納米管薄膜的潤(rùn)濕性，已有很多學(xué)者對(duì)其潤(rùn)濕性作出了大量研究。Jiang等用平板印刷術(shù)和等離子體刻蝕技術(shù)相結(jié)合，制備了具有特殊幾何形貌的硅基底，并用化學(xué)氣相沉積法在其上面沉積了具有立體各向異性微結(jié)構(gòu)陣列碳納米管薄膜[5]。研究表明，在不改變薄膜表面的化學(xué)組成的情況下，僅僅改變結(jié)構(gòu)參數(shù)，薄膜能從超親水變化到超疏水，這種現(xiàn)象是由于橫向和縱向碳納米管陣列結(jié)構(gòu)的共存即立體各向異性微結(jié)構(gòu)所引起的。縱向的碳納米管陣列提供了疏水的貢獻(xiàn)，而橫向的碳納米管陣列提供了親水性的貢獻(xiàn)，并有利于水滴的鋪展。橫向和縱向碳納米管陣列組合方式的改變導(dǎo)致了其薄膜特殊的潤(rùn)濕性性質(zhì)。Lau等用PECVD方法獲得了準(zhǔn)直生長(zhǎng)的碳納米管森林，然后通過(guò)HF—CVD的方法用PTFE對(duì)其進(jìn)行了表面修飾，獲得了穩(wěn)定的超疏水表面，液滴可以在其上面自由跳躍直至脫離[5]。Li等以酞菁絡(luò)合物為原料，采取高溫裂解的方法制備了具有相當(dāng)均勻長(zhǎng)度和外徑的陣列碳納米管薄膜，研究表明，未經(jīng)處理的陣列碳納米管薄膜是超疏水和超親油的，經(jīng)過(guò)氟化(FAS)修飾以后的碳納米管薄膜表現(xiàn)出了既疏水又疏油的性質(zhì)，正是納米結(jié)構(gòu)的存在導(dǎo)致了該表面的超雙疏性質(zhì)[5]。這一發(fā)現(xiàn)為超雙疏表面／界面材料提供了新的思路。

我們應(yīng)該看到，目前所得到的碳納米管缺陷較多，且不易分散，這大大限制了碳納米管的性質(zhì)研究和應(yīng)用研究。所以對(duì)碳納米管制備方法的研究顯得尤為重要。另外，納米尺寸的測(cè)量手段也須進(jìn)一步加強(qiáng)。總之，隨著碳納米管研究的逐步深入以及納米科技的快速發(fā)展，納米碳材料將會(huì)對(duì)全世界的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大的影響。

參考文獻(xiàn)：

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第二篇：納米論文

聚合物基-納米二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

班級(jí)12材料2班學(xué)號(hào)1232230042姓名王曉婷

摘要本文介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外納米SiO2聚合物復(fù)合材料的制備方法，討論了制備方法的特點(diǎn)，闡述了聚合物納米SiO2復(fù)合材料的研究進(jìn)展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞納米SiO2復(fù)合材料;聚合物;制備;應(yīng)用 前言

納米SiO2是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和體積效應(yīng)等,使其與有機(jī)聚合物復(fù)合而成的納米二氧化硅復(fù)合材料, 既能發(fā)揮納米SiO2自身的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及粒子的協(xié)同效應(yīng), 又兼有有機(jī)材料本身的優(yōu)點(diǎn), 使復(fù)合材料具有良好的機(jī)械、光、電和磁等功能特性, 引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[

1，2]

。本文就納米Si02一聚合物復(fù)合材料的制備方法、制備方法的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行一次全面的綜述。

2聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的制備

2．1 共混法

共混法是制備聚合物／無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料最直接的方法，適用于各種形態(tài)的納米粒子，但是由于納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發(fā)團(tuán)聚。要將無(wú)機(jī)納米粒子直接分散于有機(jī)基質(zhì)中制備聚合物納米復(fù)合材料，必須通過(guò)化學(xué)預(yù)分散和物理機(jī)械分散打開(kāi)納米粒子團(tuán)聚體，消除界面能差，才能實(shí)現(xiàn)均勻分散并與基體保持良好的親和性。具體途徑如下。

2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混

首先將聚合物基體溶解于適當(dāng)?shù)娜軇┲兄瞥扇芤?或乳液)，然后加入無(wú)機(jī)納米粒子，利用超聲波分散或其他方法將納米粒子均勻分散在溶液(或乳液)中。

姜云鵬等利用PVA與納米Si02表面的羥基形成的氫鍵實(shí)現(xiàn)了納米si02對(duì)PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應(yīng)制備納米Si02顆粒，然后通過(guò)超聲分散機(jī)將顆粒分散到聚氨酯樹(shù)脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復(fù)合材料；以上各種方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。

2．1．2熔融共混

將納米無(wú)機(jī)粒子與聚合物基體在密煉機(jī)、雙螺桿等混煉機(jī)上熔融共混。

郭衛(wèi)紅等[5]在密煉機(jī)上將PMMA和納米Si02粒子熔融共混后，用雙螺桿造粒制得納米復(fù)[4][3]合材料。石璞[6]通過(guò)熔融共混法將納米si02粒子均勻地分散于PP基體中制得復(fù)合材料，由于復(fù)合偶聯(lián)劑的一端易與離子表面上大量的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的氫鍵，另一端與聚丙烯相容性較好，使納米粒子基本沒(méi)有團(tuán)聚，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)、增韌的目的。張彥奇等[7]將納米Si02經(jīng)超聲分散并經(jīng)偶聯(lián)劑處理后與LLDPE等組分預(yù)混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復(fù)合材料，所得薄膜霧度顯著提高。

2.2在位分散聚合法

首先采用超聲波分散、機(jī)械共混等方法在單體溶液中分散納米粒子，或采用偶聯(lián)劑對(duì)納米粒子表面進(jìn)行處理，然后單體在納米粒子表面進(jìn)行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復(fù)合材料(in situ polymerization)。通過(guò)這種方法，無(wú)機(jī)粒子能夠比較均一地分散于聚合物基體中。

歐玉春等[8]利用帶有羥基的丙烯酸酯表面處理劑對(duì)Si02進(jìn)行表面處理，應(yīng)用本體法聚合制備si02／PMMA納米復(fù)合材料，結(jié)果顯示納米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的機(jī)械性能、玻璃化溫度及材料的耐水性。Jose-Luiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以陽(yáng)離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑，液相納米Si02為核，聚甲基丙烯酸甲酯為殼合成了納米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于陽(yáng)離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑的使用增強(qiáng)了與納米si02的相互作用，使效率大大提高。

2.3溶膠-凝膠法

溶膠一凝膠法(Sol-gel)是制備聚合物／無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的一種重要方法。通過(guò)烷氧基金屬有機(jī)化合物的水解、縮合，將細(xì)微的金屬氧化物顆粒復(fù)合到有機(jī)聚合物中并得到良好分散，從而在溫和條件下制備出具有特殊性能的聚合物／無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料。

2.4硅酸鈉溶膠一凝膠法

溶膠一凝膠法在制備聚合物／納米si02復(fù)合材料時(shí)顯示出很多優(yōu)勢(shì)。但是，所用的無(wú)機(jī)組分的前驅(qū)物正硅酸烷基酯價(jià)格昂貴、有毒，因此為了降低制備成本，改善生產(chǎn)條件和減少環(huán)境污染，張啟衛(wèi)等[10]用硅酸鈉為無(wú)機(jī)si02組分的前驅(qū)物，與PVAC或PMMA的THF溶膠混合，經(jīng)溶膠一凝膠過(guò)程制備出聚合物／Si02雜化材料。結(jié)果表明，si02含量在一定范圍時(shí)，由于發(fā)生了納米級(jí)微區(qū)效應(yīng)，有機(jī)一無(wú)機(jī)兩相間相容性好，不產(chǎn)生相分離，材料透光率提高，熱穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的研究進(jìn)展

3.1 納米SiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

Mascia等通過(guò)紅外光譜和定性黏度分析得知,納米SiO2 和環(huán)氧樹(shù)脂隨著環(huán)氧樹(shù)脂的分子量增加、加入偶聯(lián)劑、增加溶劑的極性以及提高反應(yīng)溫度都會(huì)使二者的相容性提高[11]。寧榮昌等用分散混合法研究了納米SiO2有無(wú)表面處理及其含量對(duì)復(fù)合材料性能的影響, 采用透射電鏡和正電子湮沒(méi)技術(shù)(PALS)對(duì)納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進(jìn)行了表征[12]。結(jié)果表明, SiO2表面處理后, 復(fù)合材料性能得到提高, 使環(huán)氧樹(shù)脂增強(qiáng)和增韌;且納米SiO2含量為3 % 時(shí),自由體積濃度最小, 納米復(fù)合材料的性能最佳。劉競(jìng)超等通過(guò)原位分散聚合法制得了納米SiO2/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料[13]。結(jié)果表明, 對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較大的是偶聯(lián)劑, 在最優(yōu)工藝條件下制得的復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度比基體分別提高了124% 和30%;復(fù)合材料的Tg和耐熱性也有所提高。

3.2 納米SiO2/丙烯酸酯類復(fù)合材料

歐玉春等用原位聚合方法制備了分散相粒徑介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)復(fù)合材料[14]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理的SiO2在復(fù)合材料基體中分散均勻, 界面粘結(jié)好;SiO2粒子的填充使基體的Tg和損耗峰上升, 隨著SiO2含量的增加, 對(duì)應(yīng)試樣的Tg和損耗峰值增大;隨著SiO2含量的增加, 基體的拉伸強(qiáng)度、彈性模量表現(xiàn)為先下降后升高, 而基體的斷裂伸長(zhǎng)率表現(xiàn)為先升高后下降。武利民等通過(guò)原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 種方法制備丙烯酸酯/納米SiO2復(fù)合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復(fù)合乳液[15]。結(jié)果表明, 共混法制得的納米復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨納米SiO2含量的增加先上升然后逐漸下降。涂層對(duì)紫外光的吸收和透過(guò)隨納米SiO2 含量的增加分別呈上升和下降趨勢(shì), 而微米SiO2復(fù)合丙烯酸酯乳液, 其涂層對(duì)紫外光的吸收和透過(guò)基本不受微米SiO2 的影響。

3.3 納米SiO2/硅橡膠復(fù)合材料

王世敏等對(duì)納米SiO2/二甲基硅氧烷復(fù)合材料的光學(xué)、力學(xué)性能進(jìn)行了研究[16]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料對(duì)波長(zhǎng)λ＞390 nm 的可見(jiàn)光基本能透過(guò), 透過(guò)率達(dá)80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢(shì)。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復(fù)合材料在非氧化氣氛中加熱到1 000 ℃以上, 分子發(fā)生重排, 形成塊狀微孔體;繼續(xù)加熱到1 400 ℃時(shí),有機(jī)碳仍不分解, 且熱膨脹系數(shù)很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔順性, 在溶膠－凝膠過(guò)程中不會(huì)因干燥而破裂, 該材料可以作為涂層改善基體(如聚合物、金屬)表面的物理化學(xué)性質(zhì)。潘偉等研究SiO2納米粉對(duì)硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機(jī)理、壓阻及阻溫效應(yīng)的影響[18]。結(jié)果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應(yīng)越來(lái)越顯著,在一定壓力范圍內(nèi), 材料電阻隨壓力呈線性增加;同時(shí), SiO2納米粉的加入使復(fù)合材料的電阻隨溫度增加而增加。

3.4 納米SiO2/聚碳酸酯材料

聚碳酸酯具有較好的透明性, 較高的硬度, 以及較強(qiáng)的蠕變性。為了進(jìn)一步提高其應(yīng)用價(jià)值, 王金平等以聚碳酸酯為基體, 采用溶膠－凝膠法技術(shù)在聚碳酸酯表面覆蓋一層納米SiO2無(wú)機(jī)涂層, 涂層與聚碳酸酯較好的結(jié)合, 使材料的耐磨性得到明顯提高[19]。

3.5 納米SiO2/聚酰亞胺復(fù)合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天及微電子領(lǐng)域的功能材料, 它的優(yōu)點(diǎn)是介電性良好,力學(xué)性能優(yōu)良, 但其吸水性強(qiáng)和熱膨脹性高的缺點(diǎn)限制了他的應(yīng)用。而采用納米SiO2改性后的PI 在這方面得到了很大改善。楊勇等的研究表明, 采用納米SiO2改性后的PI 其熱穩(wěn)定性得到加強(qiáng), 熱膨脹系數(shù)得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復(fù)合材料的力學(xué)性能時(shí)發(fā)現(xiàn), 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機(jī)分子與無(wú)機(jī)物分子之間的相容性, 從而可制備強(qiáng)度和韌性更加優(yōu)異的復(fù)合材料[21]。

3.6 納米SiO2/聚烯烴類復(fù)合材料

張彥奇等采用熔融共混法制備了線性低密度聚乙烯(LLDPE)/納米SiO2復(fù)合材料[22]。結(jié)果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時(shí)達(dá)到最大值;加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對(duì)長(zhǎng)波紅外線(7～11 μm)的吸收能力較純LLDPE 膜有顯著提高, 透光率略有下降, 但霧度提高。曲寧等利用納米SiO2、馬來(lái)酸酐接枝PE(PE-g-MAH)和PP 通過(guò)熔融共混制備了PP/納米SiO2復(fù)合材料[23]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理、用量為4 %的納米SiO2 與4 % 的PE-g-MAH 發(fā)生協(xié)同作用, 可以使PP/納米SiO2復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度提高40 %,拉伸強(qiáng)度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。

3.7 納米SiO2/尼龍復(fù)合材料

E.Reynaud 等研究了不同粒徑和含量的納米SiO2 與尼龍6 通過(guò)原位聚合得到的納米復(fù)合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復(fù)合材料的結(jié)晶相;粒子的加入明顯增強(qiáng)了基體的彈性模量,且復(fù)合材料的性能受粒子尺寸和分散狀況的影響。

3.8 納米SiO2/聚醚酮類樹(shù)脂復(fù)合材料

邵鑫等研究了納米SiO2對(duì)聚醚砜酮(PPESUK)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[25]。結(jié)果表明, 納米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且還有較好的減摩作用, 其最佳用量為25%。靳奇峰等采用懸浮液共混法制備了納米SiO2填充新型雜萘聯(lián)苯聚醚酮(PPEK)復(fù)合材料[26]。當(dāng)納米SiO2用量為1 % 時(shí), 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。納米SiO2的加入使得復(fù)合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當(dāng)納米SiO2用量為7 % 時(shí),材料的摩擦磨損性能最好, 并且在大載荷下納米SiO2 更能有效改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。

3.9納米SiO2/聚苯硫醚(PPS)復(fù)合材料

張文栓等首先將納米SiO2粒子與硅烷偶聯(lián)劑KH-550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超聲波振蕩60 min 后脫去溶劑, 烘干后與PPS 在高速攪拌機(jī)中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機(jī)造粒制得PPS/納米SiO2復(fù)合材料[27]。納米SiO2粒子呈顆粒狀均勻分布在PPS 基體中, 尺寸在10～40 nm 范圍內(nèi)。當(dāng)納米SiO2用量為3 % 時(shí), PPS/納米SiO2 復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳, 拉伸強(qiáng)度、彎曲彈性模量和缺口沖擊強(qiáng)度分別提高13.4%、7.4% 和27.3%。張而耕等用轉(zhuǎn)化劑、分散劑和穩(wěn)定劑制備了PPS/納米SiO2水基涂料[28]。PPS/納米SiO2復(fù)合涂層的耐沖蝕磨損性比普通涂層提高了約50 倍, 能夠用于零部件的防沖蝕磨損。

3.10納米SiO2/PMMA 復(fù)合材料

張啟衛(wèi)等利用溶膠-凝膠法制備了PMMA/納米SiO2復(fù)合材料[29]。發(fā)現(xiàn)PMMA 與納米SiO2兩相間的相容性好, 材料透光率可達(dá)80 %, 并且熱穩(wěn)定性和Tg都比純PMMA 有較大的提高。郭衛(wèi)紅等將經(jīng)過(guò)表面處理的納米SiO2分散于PMMA 單體中形成膠體, 原位聚合制備了PMMA/納米SiO2復(fù)合材料[30]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料的耐紫外線輻射能力提高1 倍以上, 沖擊強(qiáng)度提高80 %。同時(shí)由于納米粒子尺寸小于可見(jiàn)光波長(zhǎng), 復(fù)合材料具有高的光澤度和良好的透明度。

4總結(jié)與展望

聚合物/納米SiO2復(fù)合材料具有優(yōu)良的綜合性能, 展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。盡管近年來(lái)對(duì)其研究較多, 并取得了較大進(jìn)展, 但是對(duì)它的研究還不夠深入, 還有許多問(wèn)題亟待研究和解決, 如納米SiO2在聚合物基體中的均勻分散問(wèn)題, 納米復(fù)合材料的相界面結(jié)構(gòu), 納米SiO2 對(duì)聚合物性能影響的機(jī)理等。相信隨著制備技術(shù)的進(jìn)一步完善及對(duì)材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系的進(jìn)一步了解, 人們將能按照需要來(lái)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能和多功能的聚合物/納米SiO2復(fù)合材料。納米Si02可以改性多種高分子材料，通常對(duì)聚合物的機(jī)械性能如拉伸強(qiáng)度、彈性模量、斷裂伸長(zhǎng)率，以及熱穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)力學(xué)行為、光學(xué)行為等都有較大影響。因此人們都在力求解決很多問(wèn)題，諸如納米Si02在聚合物基體中的均勻分散；納米Si02復(fù)合材料中有機(jī)相和無(wú)機(jī)相的相界面結(jié)構(gòu)；Si02粒徑大小、幾何形狀等形態(tài)參數(shù)及添加量對(duì)復(fù)合材料性能的影響；納米Si02對(duì)聚合物基體材料性能影響的機(jī)理等。隨著研究的不斷深入，納米Si02一聚合物體系將在越來(lái)越多的領(lǐng)域發(fā)揮出它的重要作用。

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第三篇：納米論文

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

[摘要]納米醫(yī)學(xué)是納米技術(shù)與醫(yī)藥技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物,納米醫(yī)學(xué)研究在疾病診斷和治療方面顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。近幾年,納米技術(shù)突飛猛進(jìn),作為納米技術(shù)的重要領(lǐng)域的納米生物工程也取得了輝煌的成就。本文從納米醫(yī)學(xué)、納米生物技術(shù)和納米生物材料三個(gè)方面,講述了納米生物工程的重大進(jìn)展。本文就納米診斷技術(shù)、組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料、納米藥物載體、納米藥物等方面的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行綜述,并探討納米醫(yī)學(xué)的發(fā)展前景。

[引言] 納米技術(shù)的基本概念是用單個(gè)原子、分子制造和操作物質(zhì)的技術(shù),是現(xiàn)代高科技前沿技術(shù).納米技術(shù)應(yīng)用前景廣闊,幾乎涉及現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)的所有領(lǐng)域,世界各國(guó)都把納米技術(shù)列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目,投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地.[關(guān)鍵詞]納米醫(yī)學(xué);納米生物材料;診斷;治療

1、跨世紀(jì)的新學(xué)科——納米科技

所謂/納米科技,就是在0.1~100納米的尺度上,研究和利用原子和分子的結(jié)構(gòu)、特征及相互作用的高新科學(xué)技術(shù),它是現(xiàn)代科學(xué)和先進(jìn)工程技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。1990年7月,第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議的召開(kāi),標(biāo)志著納米科技的正式誕生。時(shí)至今日,納米科技涉及到幾乎現(xiàn)有的所有科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。它的誕生,使人類改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最終目標(biāo),是人類按照自己的意志操縱單個(gè)原子,在納米尺度上制造具有特定功能的產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛 躍。目前,納米科技已經(jīng)取得一系列成果,正處于重大突破的前夜。研究者認(rèn)為,這一興起于本世紀(jì)90年代的納米科技,必將雄踞于21世紀(jì),對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。

2、納米醫(yī)學(xué)的提出

納米醫(yī)學(xué)的形成除了納米技術(shù)之外，其醫(yī)學(xué)本身也應(yīng)具有可應(yīng)用納米技術(shù)的客觀基礎(chǔ)和必要條件。客觀基礎(chǔ)是指，像其他物質(zhì)一樣，醫(yī)學(xué)研究的主體———人體本身是由分子和原子構(gòu)成的。實(shí)現(xiàn)納米醫(yī)學(xué)的必要條件是，要在分子水平上對(duì)人體有更為全面而詳盡的了解。隨著現(xiàn)代生物學(xué)和現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展,人類在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容已開(kāi)始從細(xì)胞、染色體等微米尺度的結(jié)構(gòu)深入到更小的層次,進(jìn)入到單個(gè)分子甚至分子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。這些極其微細(xì)的分子結(jié)構(gòu)的特征:尺度空間在0.1-100 nm,屬于納米技術(shù)的尺度范圍。研究這些納米尺度的分子結(jié)構(gòu)和生命現(xiàn)象的學(xué)科,就是納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)。納米醫(yī)學(xué)是一門涉及物理學(xué)、化學(xué)、量子學(xué)、材料學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)學(xué)、生物學(xué)以及醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域的綜合 性交叉學(xué)科。Freitas曾給納米醫(yī)學(xué)下過(guò)一個(gè)較詳細(xì)的定義:他認(rèn)為,納米醫(yī)學(xué)是利用人體分子工具和分子知識(shí),預(yù)防、診斷、治療疾病和創(chuàng)傷,劫除疼痛,保護(hù)和改善人體健康的科學(xué)和技術(shù)。目前的納米醫(yī)學(xué)研究水平還處于初級(jí)階段,當(dāng)然,由于各國(guó)科學(xué)工者的不懈努力,納米醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域已初露曙光,有部分研究成果已開(kāi)始接近臨床應(yīng)用。

從定義來(lái)看,納米醫(yī)學(xué)可以分為兩大類,一是在分子水平上的醫(yī)學(xué)研究,基因藥物和基因療法等就是典型體現(xiàn);二是把其他領(lǐng)域的納米研究成果引入醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,如某種納米裝置在醫(yī)療和診斷上的應(yīng)用。納米醫(yī)學(xué)的奧秘在于,可以從納米量級(jí)的尺度來(lái)進(jìn)行原來(lái)不可能達(dá)到的醫(yī)療操作和疾病防治。當(dāng)生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元小到納米量級(jí)的時(shí)候,其性質(zhì)會(huì)有意想不到的變化。這種變化既包括物質(zhì)的原有性能變得更好,還可能有我們所意想不到的性能和效益,從而用來(lái)治病防病。

3、納米技術(shù)的醫(yī)學(xué)應(yīng)用 3.1 診斷疾病

在診斷方面，將應(yīng)用納米醫(yī)學(xué)技術(shù)手段，在診室內(nèi)進(jìn)行全面的基因檢查和特殊細(xì)菌涂層標(biāo)記物的實(shí)時(shí)全身掃描；檢測(cè)腫瘤細(xì)胞抗原、礦質(zhì)沉積物、可疑的毒素、源于遺傳或生活方式的激素失衡，以及其它以亞毫米空間分辨率制成所定目標(biāo)三維圖譜的特定分子。在納米醫(yī)學(xué)時(shí)代，這些強(qiáng)有力的手段將使醫(yī)務(wù)人員能夠檢查患者的任何部位，且可詳盡到分子水平，并能以合理的費(fèi)用，在數(shù)分鐘或數(shù)秒鐘內(nèi)獲得所需的結(jié)果。許多以往診斷比較困難或無(wú)法診斷的疾病,隨著納米技術(shù)的介入,將很容易被確診。為判斷胎兒是否具有遺傳缺陷,以往常采用價(jià)格昂貴并對(duì)人體有損害的羊水診斷技術(shù)。如今應(yīng)用納米技術(shù),可簡(jiǎn)便安全地達(dá)到目的。孕8周左右血液中開(kāi)始出現(xiàn)非常少量的胎兒細(xì)胞,用納米粒很容易將這些胎兒細(xì)胞分離出來(lái)進(jìn)行診斷。目前美國(guó)已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于臨床診斷。肝癌患者由于早期沒(méi)有明顯癥狀,一旦發(fā)現(xiàn)常已到晚期,難以治愈,因而早期診斷極為重要。中國(guó)醫(yī)科大學(xué)第二臨床學(xué)院把納米粒應(yīng)用于醫(yī)學(xué)研究,經(jīng)過(guò)4年的努力,完成了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質(zhì)體的研究。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明,運(yùn)用這項(xiàng)研究成果,可以發(fā)現(xiàn)直徑3mm以下的肝腫瘤。這對(duì)肝癌的早期診斷、早期治療有著十分重要的意義。3.2 納米藥物和納米藥物載體

這是納米醫(yī)學(xué)中的一個(gè)非常活躍的領(lǐng)域,適時(shí)準(zhǔn)確地釋放藥物是它的基本功能之一。科學(xué)家正在為糖尿病人研制超小型的,模仿健康人體內(nèi)的葡萄糖檢測(cè)系統(tǒng)。它能夠被植入皮下,監(jiān)測(cè)血糖水平,在必要的時(shí)候釋放出胰島素,使病人體內(nèi)的血糖和胰島素含量總是處于正常狀態(tài)。美國(guó)密西根大學(xué)的博士正在設(shè)計(jì)一種納米/智能炸彈,它可以識(shí)別出癌細(xì)胞的化學(xué)特征。這種智能炸彈很小,僅有20nm左右,能夠進(jìn)入并摧毀單個(gè)的癌細(xì)胞。

德國(guó)醫(yī)生嘗試借助磁性納米微粒治療癌癥,并在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中取得了較好療效。將一些極其細(xì)小的氧化鐵納米微粒注入患者的腫瘤里,然后將患者置于可變的磁場(chǎng)中,氧化鐵納米微粒升溫到45~ 47度,這一溫度可慢慢熱死癌細(xì)胞。由于腫瘤附近的機(jī)體組織中不存在磁性微粒,因此這些健康組織的溫度不會(huì)升高,也不會(huì)受到傷害。科學(xué)家指出,將磁性納米顆粒與藥物結(jié)合,注入到人體內(nèi),在外磁場(chǎng)作用下,藥物向病變部位集中,從而達(dá)到定向治療的目的,將大大提高腫瘤的藥物治療效果。

納米藥物與傳統(tǒng)的分子藥物的根本區(qū)別在于它是顆粒藥物。廣義的納米藥物可分為兩類:一類是納米藥物載體,即指溶解或分散有分子藥物的各種納米顆粒,如納米球、納米囊、納米脂質(zhì)體等。二是納米藥物,即指直接將原料藥物加工成的納米顆粒,或利用嶄新的納米結(jié)構(gòu)或納米特性,發(fā)現(xiàn)基于新型納米顆粒的高效低毒的治療或診斷藥物。前者是對(duì)傳統(tǒng)藥物的改良,而后者強(qiáng)調(diào)的是把納米材料本身作為藥物。

3.2.1 納米藥物

直接以納米顆粒作為藥物的應(yīng)用之一是抗菌藥物。納米抗菌藥物具有廣譜、親水、環(huán)保、遇水后殺菌力更強(qiáng)、不會(huì)誘導(dǎo)細(xì)菌耐藥性等多種性能。以這種抗菌顆粒為原料,成功地開(kāi)發(fā)出了創(chuàng)傷貼、潰瘍貼等納米醫(yī)藥類產(chǎn)品。例如,納米二氧化鈦樹(shù)脂基托材料具有一定的抗變形鏈球菌和抗白色念珠菌的效果,當(dāng)樹(shù)脂基托中抗菌劑的濃度達(dá)到3%時(shí),即可達(dá)到滿意的抗菌效果。

無(wú)機(jī)納米顆粒作為新型的抗癌藥物為腫瘤治療提供了新的思路。研究人員用Gd@C82(OH)22處理得肝癌的小鼠,在10.7mol/kg的注射劑量下能有效地抑制腫瘤生長(zhǎng),同時(shí)對(duì)機(jī)體不產(chǎn)生任何毒性。其抑瘤效應(yīng)不是通過(guò)納米顆粒對(duì)腫瘤的直接殺傷起作用,而是可能通過(guò)激活機(jī)體免疫來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤的抑制作用。納米羥基磷灰石在體外對(duì)惡性腫瘤細(xì)胞產(chǎn)生明顯的抑制作用,而對(duì)正常細(xì)胞作用甚微,可望通過(guò)進(jìn)一步的研究獲得一種區(qū)別于傳統(tǒng)的化療藥物的納米無(wú)機(jī)抗癌藥物。此外,有的物質(zhì)納米化后出現(xiàn)新的治療作用,如二氧化鈦納米粒子可抑制癌細(xì)胞增殖;二氧化鈰納米顆粒可以清除眼中的電抗性分子并防治一些由于視網(wǎng)膜老化而帶來(lái)的疾病。

3.2.2 納米藥物載體

實(shí)現(xiàn)細(xì)胞和亞細(xì)胞層次上藥物的靶向傳遞和智能控制釋放,是降低藥物毒副作用、提高治療效果的共性問(wèn)題。納米粒子介導(dǎo)的藥物輸送是納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),在藥物輸送方面具有許多優(yōu)越性。目前,用作藥物載體的材料有金屬納米顆粒、生物降解性高分子納米顆粒及生物活性納米顆粒等。理想的納米藥物載體應(yīng)具備以下性質(zhì):毒性較低或沒(méi)有毒性;具有適宜的制備及提純方法;具有合適的粒徑與形狀;具有較高的載藥量;具有較高的包封率;對(duì)藥物具有良好的釋放特性;具有良好的生物相容性,可生物降解或可被機(jī)體排出;具有較長(zhǎng)的體內(nèi)循環(huán)時(shí)間,并能在療效相 關(guān)部位持久存。3.3 納米生物技術(shù)

納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,它即可以用于生物醫(yī)學(xué),也可以服務(wù)于其它社會(huì)需求。所包含的內(nèi)容非常豐富,并以極快的速度增加和發(fā)展,難以概述。

3.3.1生物芯片技術(shù)

生物芯片是在很小幾何尺度的表面積上,裝配一種或集成多種生物活性,僅用微量生理或生物采樣,即可以同時(shí)檢測(cè)和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性,以及它們之間的相互作用,獲得生命微觀活動(dòng)的規(guī)律。生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等幾類,都有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn),已成為21世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。

近2年,已經(jīng)通過(guò)微制作(MEMS)技術(shù),制成了微米量級(jí)的機(jī)械手,能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個(gè)細(xì)胞,進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國(guó)哈佛大學(xué)的教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員,發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,并研制出效果更好的軟光刻方法。以此,制出了可以捕捉和固定單個(gè)細(xì)胞的生物芯片,通過(guò)調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等,研究細(xì)胞分泌和胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等。它的功能原理非常簡(jiǎn)單,僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面特性,即可達(dá)到選擇和固定細(xì)胞及細(xì)胞面密度控制。

美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了納米愛(ài)好者的預(yù)言。正像所預(yù)想的那樣,納米技術(shù)可以在血流中進(jìn)行巡航探測(cè),即時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細(xì)菌類型的外來(lái)入侵者,并予以殲滅,從而消除傳染性疾病。

研究人員做了一個(gè)雛形裝置,發(fā)揮芯片實(shí)驗(yàn)室的功能,它可以沿血流流動(dòng)并跟蹤像鐮狀細(xì)胞血癥和感染了愛(ài)滋病的細(xì)胞。血液細(xì)胞被導(dǎo)入一個(gè)發(fā)射激光的腔體表面,從而改變激光的形成。癌細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生一種明亮的閃光;而健康細(xì)胞只發(fā)射一種標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)的光,以此鑒別癌變。3.3.2納米探針

一種探測(cè)單個(gè)活細(xì)胞的納米傳感器,探頭尺寸僅為納米量級(jí),當(dāng)它插入活細(xì)胞時(shí),可探知會(huì)導(dǎo)致腫瘤的早期DNA損傷。

3.4組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)中的納米材料

將納米技術(shù)與組織工程技術(shù)相結(jié)合,構(gòu)建具有納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的細(xì)胞生長(zhǎng)支架正在形成一個(gè)嶄新的研究方向。相對(duì)于微米尺度,納米尺度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與機(jī)體內(nèi)細(xì)胞生長(zhǎng)的自然環(huán)境更為相似。納米拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建有可能從分子和細(xì)胞水平上控制生物材料與細(xì)胞間的相互作用,引發(fā)特異性細(xì)胞反應(yīng),對(duì)于組織再生與修復(fù)具有潛在的應(yīng)用前景和重要意義。將納米纖維水凝膠作為神經(jīng)組織的支架,在其中生長(zhǎng)的鼠神經(jīng)前體細(xì)胞的生長(zhǎng)速度明顯快于對(duì)照材料。向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性,同時(shí)還可以改進(jìn)基體材料的生物相容性。研究發(fā)現(xiàn),隨著復(fù)合物中碳納米管含量的增加,神經(jīng)元細(xì)胞和成骨細(xì)胞在復(fù)合材料上的黏附與生長(zhǎng)也越來(lái)越活躍,而星形細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的活性則呈現(xiàn)同等程度的下降。研究人員設(shè)計(jì)的人造紅細(xì)胞輸送氧的能力是同等體積天然紅細(xì)胞的236倍,可應(yīng)用于貧血癥的局部治療、人工呼吸、肺功能喪失和體育運(yùn)動(dòng)需要的額外耗氧等。研究人員成功合成了模擬骨骼亞結(jié)構(gòu)的納米物質(zhì),該物質(zhì)可取代目前骨科常用的合金材料,其物理特性符合理想的骨骼替代物的模數(shù)匹配,不易骨折,且與正常骨組織連接緊密,顯示出明顯的正畸應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

納米自組裝短肽材料RADA16-I與細(xì)胞外基質(zhì)具有很高相似性,RADA16-I納米支架可以作為一種臨時(shí)性的細(xì)胞培養(yǎng)人工支架,它能很好地支持功能型細(xì)胞在受損位置附近生長(zhǎng)、遷移和分化,因而有利于細(xì)胞抵達(dá)傷口縫隙,使組織得以再生。有研究人員利用RADA16-I納米支架修復(fù)了倉(cāng)鼠腦部的急性創(chuàng)傷,并且恢復(fù)了倉(cāng)鼠的視覺(jué)功能。RADA16-I形成的水凝膠可用作新型的簡(jiǎn)易止血?jiǎng)?用于多種組織和多種不同類型傷口的止血。

4、我國(guó)發(fā)展納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)的現(xiàn)狀和發(fā)展策略

目前,我國(guó)在納米生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究基礎(chǔ)還比較薄弱,通過(guò)采取各種激勵(lì)措施和各種研究計(jì)劃的實(shí)施,特別是國(guó)家自然科學(xué)基金委的納米技術(shù)重大研究計(jì)劃對(duì)納米生物和納米醫(yī)學(xué)項(xiàng)目的支持,我國(guó)在納米生物和納米醫(yī)學(xué)方面的研究狀況有了很大的改善,生物、醫(yī)學(xué)界的許多院、所相繼建立了有關(guān)納米技術(shù)的研究室,如中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院毒物藥物研究所和生物物理研究所等都設(shè)立了納米研究室,初步形成了一只較強(qiáng)的研究隊(duì)伍。近年來(lái),來(lái)自化學(xué)、物理、信息、藥物、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家通過(guò)幾次研討會(huì)進(jìn)一步明確了納米生物和納米醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究方向和內(nèi)容,并建立了較密切的合作。我國(guó)在納米生物和納米醫(yī)學(xué)的研究領(lǐng)域也涌現(xiàn)了一批極具特色的研究成果,如在生物傳感器、生物芯片、新型藥物載體和靶向藥物、新型納米藥物劑型、新造影劑、重大疾病的機(jī)制、納米材料的應(yīng)用和生物安全性及重大疾病預(yù)防和早期診斷與治療技術(shù)等方面。但是,這些研究的水準(zhǔn)與國(guó)際先進(jìn)水平還有相當(dāng)?shù)牟罹?離國(guó)家、社會(huì)的需求也有相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。

納米醫(yī)學(xué)工程的建立不僅是因?yàn)橛衅淦惹械男枰?而且也因?yàn)橛辛藢?shí)現(xiàn)的可能。如今,納米科技在國(guó)際上已嶄露頭角,世界各發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開(kāi)展納米科技的研究。在我國(guó),科技界對(duì)納米科技的重要性有了共識(shí),納米科技研究已取得引人注目的成果。學(xué)科發(fā)展和社會(huì)需要是推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的巨大動(dòng)力,學(xué)科發(fā)展可以創(chuàng)造新的需求,社會(huì)需求可以促進(jìn)學(xué)科向深度和廣度發(fā)展。納米生物醫(yī)學(xué)工程正在出現(xiàn),我們無(wú)力將它阻擋。雖然它的廣泛應(yīng)用尚有待時(shí)日,并潛在危險(xiǎn),但若沒(méi)有它,我們現(xiàn)在面臨的許多生物醫(yī)學(xué)工程問(wèn)題就不可能得到滿意的解決。

人類正在被歷史及自身推向一個(gè)嶄新的陌生世界,倘若人類能直接利用原子、分子進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng),這將是一個(gè)質(zhì)的飛躍,將改變?nèi)祟惖纳a(chǎn)方式,并空前地提高生產(chǎn)能力,有可能從根本上解決人類面臨的諸多困難和危機(jī)。我們有必要把納米科技和生物醫(yī)學(xué)工程概念進(jìn)行拓展,把納米科技的理論與方法引入生物醫(yī)學(xué)工程的相關(guān)研究領(lǐng)域,創(chuàng)立新的邊緣學(xué)科——納米生物醫(yī)學(xué)工程。可以相信,納米醫(yī)學(xué)工程將會(huì)成為納米科技的重要分支,并開(kāi)創(chuàng)生物醫(yī)學(xué)工程新紀(jì)元。科學(xué)家認(rèn)為,納米科技在生物醫(yī)學(xué)方面,甚至有可能超過(guò)信息技術(shù)和基因工程,成為決勝未來(lái)的關(guān)鍵性技術(shù)。[參 考 文 獻(xiàn)] [1]劉吉平,郝向陽(yáng).納米科學(xué)與技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2002:2,227-229,234-238,239-242,230-234.[2]李道萍.21世紀(jì)嶄新的學(xué)科——納米醫(yī)學(xué)[J]1世界新醫(yī)學(xué)信息文摘,2003,1(3):208-210.[3]李會(huì)東.納米技術(shù)在生物學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,27(2):49-51.[4]皮洪瓊,吳俊,袁直等.注射用生物可降解胰島素納米微球的制備[J]1應(yīng)用化學(xué),2001,18(5):365-369.[5]常津.阿毒素免疫磁性毫微粒的體內(nèi)磁靶向定位研究[J].中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),1996,15(4):216-221.[6]張共清,梁屹.納米技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用[J]1中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院學(xué)報(bào),2002,24(2):197-201.〔7〕中國(guó)社會(huì)科學(xué)院語(yǔ)言研究所詞典編輯室編.現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典.北京:商務(wù)印書館2002年版:1711〔8〕奇云.21世紀(jì)的納米醫(yī)學(xué).健康報(bào),2001(4):12〔9〕紀(jì)小龍.納米醫(yī)學(xué)怎樣診治疾病.健康報(bào),2001,7,19[9]奇 云.納米醫(yī)學(xué)——21世紀(jì)的科技新領(lǐng)域[N].中國(guó)醫(yī)藥報(bào),1995年6月8日~1995年7月18日,第1160期-1178期,第7版.[10]奇 云.納米材料——21世紀(jì)的新材料[J].科技導(dǎo)報(bào),1992(10):28-31.[11]奇 云.納米電子學(xué)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代物理知識(shí),1994,6(5):24-25.[12]奇 云.納米生物學(xué)的誘人前景[N].光明日?qǐng)?bào),1993年5月7日,第15864號(hào)第3版.[13]奇 云.納米化學(xué)研究進(jìn)展[J].自然雜志,1993,16（9、10):2-5.[14]奇 云.納米化學(xué)研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代化工,1993,13(8):38-39.[15] 華中一.納米科學(xué)與技術(shù)[J].科學(xué),2000,52(5):6-10..

第四篇：納米材料論文

納米科技及納米材料

【摘 要】納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)。納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚愛(ài)好。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)對(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。文章簡(jiǎn)要地概述了納米技術(shù)，納米材料的分類、特性以及納米材料在催化、涂料、醫(yī)藥等領(lǐng)域的應(yīng)用，并展望了納米材料廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】納米技術(shù)；納米材料；分類；特性；應(yīng)用；前景

一、納米科技及納米材料的涵義

納米科技是20世紀(jì)80年代末誕生并正在崛起的新科技，是一門在0.1~ 100 nm尺度空間內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的高技術(shù)學(xué)科。其涵義是人類在納米尺寸（10-9--10-7m）范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，最終目標(biāo)是通過(guò)直接操縱和安排原子、分子而創(chuàng)造特定功能的新物質(zhì)。納米科技是現(xiàn)代物理學(xué)與先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是一門基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新興科學(xué)技術(shù)。其中納米材料是納米科技的重要組成部分。

納米（nm）是長(zhǎng)度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對(duì)宏觀物質(zhì)來(lái)說(shuō)，納米是一個(gè)很小的單位，廣義地說(shuō)，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1-100nm）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。一般認(rèn)為納米材料應(yīng)該包括兩個(gè)基本條件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之間，二是材料此時(shí)具有區(qū)別常規(guī)尺寸材料的一些特殊物理化學(xué)特性。

二、納米材料的分類

按其顆粒組成的尺寸和排列狀態(tài)，可分為納米晶體和納米非晶體。前者指所包含的納米微粒為晶體，后者由具有短程序的非晶態(tài)納米微粒組成，如納米非晶態(tài)薄膜．

按其結(jié)構(gòu)來(lái)分，納米材料的基本單元可以分為四類：零維的原子團(tuán)簇和納米微粒；一維調(diào)制的納米單層或多層薄膜；二維調(diào)制的納米纖維結(jié)構(gòu)；三維調(diào)制的納米相材料。

三、納米材料的特性

納米材料的特性既不同于原子，又不同于結(jié)晶體，可以說(shuō)它是一種不同于本體材料的新材料，其物理化學(xué)性質(zhì)與本體材料有明顯差異。主要表現(xiàn)在：納米材料性能表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸依賴性。當(dāng)粒子尺寸減小到納米級(jí)的某一尺寸時(shí)，則材料的物性會(huì)發(fā)生突變，與同組分的常規(guī)材料的性能完全不同，且同類材料的不同性能有不同的臨界尺寸，對(duì)同一性能，不同材料相應(yīng)的臨界尺寸也有差異，所以當(dāng)物質(zhì)的粒子尺寸達(dá)到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，將會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)于同組分的晶態(tài)或非晶態(tài)的性質(zhì)。如熔點(diǎn)下降、強(qiáng)烈的化學(xué)活性和催化活性及特殊的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)及燒結(jié)性能。這主要是由納米材料的下列效應(yīng)引起：小尺寸效應(yīng)（體積效應(yīng)）；表面與界面效應(yīng)；量子尺寸效應(yīng)（久保效應(yīng)）；宏觀量子隧道效應(yīng)。

1、小尺寸效應(yīng)指當(dāng)超微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷卻具有良好的韌性和延展性。這是由于納米超微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形條件下容易遷移。因此使原先脆性的材料表現(xiàn)出良好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性能。

2、表面與界面效應(yīng)指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多，因此納米粉微粒通常具有相當(dāng)高的表面能。

3、當(dāng)粒子的尺寸降到一定值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)出現(xiàn)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，納米微粒會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會(huì)變得完全不透明。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使納米材料具有：高度光學(xué)非線性；特異性催化和光催化性；強(qiáng)氧化性與強(qiáng)還原性。用這一特性可制得光催化劑、強(qiáng)氧化劑與強(qiáng)還原劑。可使用于制備無(wú)機(jī)抗菌材料。

4、微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過(guò)宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。

四、納米材料的應(yīng)用

1、在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，主要是在有機(jī)物制備方面。光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無(wú)機(jī)離子氧化還原，有機(jī)物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機(jī)污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對(duì)光穩(wěn)定，無(wú)毒，便宜易得，是制備負(fù)載型光催化劑的最佳選擇。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對(duì)某些有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑或鈕催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來(lái)催化科學(xué)不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來(lái)革命性的變革。

2、在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的非凡性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。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)防紫外線照射、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。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。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(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，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過(guò)復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、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(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

3、在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

21世紀(jì)控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，已提到研究日程上來(lái)。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測(cè)少量血液就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國(guó)麻省理工學(xué)院已制備出以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，稱之為“定向?qū)棥薄?/p>

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。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)非凡是酶，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。

五、納米材料的前景

21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代，納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。

21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。

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第五篇：納米材料 論文

TiO2納米制備及其改性和應(yīng)用研究進(jìn)展

于琳楓（12化學(xué)1班）

摘 要： 二氧化鈦納米管由于新奇的物理化學(xué)性質(zhì)引起了廣泛的關(guān)注，本文就近年來(lái)在制備方法﹑反應(yīng)機(jī)理﹑二級(jí)結(jié)構(gòu)及摻雜和應(yīng)用方面予以綜述，并討論了今后可能的研究發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞: 二氧化鈦, 納米管, 制備, 反應(yīng)機(jī)理, 二級(jí)結(jié)構(gòu)

0 引言

TiO2俗稱鈦白粉，無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)刺激性、熱穩(wěn)定性好，且原料來(lái)源廣泛易得.它有三種晶型：板鈦礦、銳鈦礦和金紅石型。TiO2最早用來(lái)做涂料。

自從1991年Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，已經(jīng)用碳納米管模板合成出各種不同的氧化物納米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化鈦由于其化學(xué)惰性，良好的生物兼容性，較強(qiáng)的氧化能力，以及抗化學(xué)腐蝕和光腐蝕的能力，價(jià)格低廉，在能量轉(zhuǎn)換﹑廢水處理﹑環(huán)境凈化﹑傳感器﹑涂料﹑化妝品﹑催化劑﹑填充劑等諸多領(lǐng)域引起了人們極大的關(guān)注。研究結(jié)果表明：TiO2的晶粒大小，形狀，相組成或表面修飾以及其它成分的摻雜對(duì)其性質(zhì)﹑功能有顯著的影響，納米管的比表面積大，因而具有較高的吸附能力，有良好的選擇性，可望具有新奇的光電磁性質(zhì)，具有很好的應(yīng)用前景。本文對(duì)二氧化鈦納米管的制備，形成機(jī)理的最新進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)今后的發(fā)展方向予以展望。TiO2納米材料的制備

1.1 氣相法

TiO2納米材料的氣相合成主要是在化學(xué)技術(shù)和物理技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的。由于反應(yīng)溫度高。氣相法具有成核速度快、產(chǎn)品結(jié)晶度高、純度高、生成粒子團(tuán)聚少、粒徑易控制等優(yōu)點(diǎn)。氣相法可以合成各種形貌的TiO2薄膜或粉體：納米棒、納米管、納米帶等。最常使用的氣相法是高溫濺射沉積法(SPD).Ahonen等用鈦醇鹽做前驅(qū)體。采用SPD法合成了TiO2納米粉體和薄膜。其他的氣相制備技術(shù) 1

包括：直流電濺射法、高頻無(wú)線電濺射法、分子束取向生長(zhǎng)法和等離子體法等。

1.2 液相法

目前制備TiO2納米材料應(yīng)用最廣泛的方法是各種前驅(qū)體的液相合成法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是：原料來(lái)源廣泛、成本較低、設(shè)備簡(jiǎn)單、便于大規(guī)模生產(chǎn)。但是產(chǎn)品粒子的均勻性差，在干燥和煅燒過(guò)程中易發(fā)生團(tuán)聚.應(yīng)用最普遍的液相制備方法包括液相沉積法和微乳液法等。

1.2.1 液相沉積法

液相沉積法是以無(wú)機(jī)鈦鹽作原料，通過(guò)直接沉積來(lái)制備功能TiO2粉體和薄膜的液相法。Deki等用(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液為起始溶液，制備了TiO2薄膜.Imai等用添加了尿素的TiF4和Ti(SO4)2的水溶液制備了不同形貌的TiO2納米材料。液相沉積法具有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)儀器要求比較低,溫度要求低(30～50℃),基片選擇比較廣等。

1.2.2 微乳液法

微乳液法制備納米TiO2是近年來(lái)才發(fā)展起來(lái)的一種方法。微乳液是指熱力學(xué)穩(wěn)定分散的互不相溶的液體組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的液體混合物。該法的制備原理是在表面活性劑作用下使兩種互不相溶的溶劑形成一個(gè)均勻的乳液。利用這兩種微乳液間的反應(yīng)可得到無(wú)定型的TiO2，經(jīng)煅燒、晶化得到TiO2納米晶體。賀進(jìn)明等以TiCl4為原料、在十六烷基三甲基溴化銨、正己醇、水組成的微乳液體系中，在較低溫度下，制備了球形、花狀、捆綁絲和星形的金紅石型TiO2納米顆粒。微乳液法得到的粒子純度高、粒度小而且分布均勻，但穩(wěn)定微乳液的制備較困難。因此，此法的關(guān)鍵在于制備穩(wěn)定的微乳液。TiO2納米材料的反應(yīng)機(jī)理

2.1氧化鈦納米管形成的反應(yīng)機(jī)理

目前，對(duì)二氧化鈦納米管的形成機(jī)理和組成尚存在分歧。一般認(rèn)為，銳鈦礦或者金紅石相以及無(wú)定形二氧化鈦在堿性條件下轉(zhuǎn)換為納米管都要經(jīng)過(guò)單層的納米片的卷曲，類似于多層碳納米管形成的機(jī)理，即從1D到2D，再到 3D的組合過(guò)程。Sugimoto等研究證實(shí)了層狀的質(zhì)子化的二氧化鈦納米片的存在，Sun和Masaki各自報(bào)道了鈦酸鉀或者鈦酸鈉形成的納米帶。在堿性條件下，各種鈦酸鹽可以形成層狀的結(jié)構(gòu)，再通過(guò)折疊或卷曲形成納米管，但折疊或卷曲的順序

尚不確定。理論上鈦納米帶折疊或卷曲形成納米管時(shí)，可形成下列3種形狀：（a）蛇形的，即單層納米管的卷曲；（b）洋蔥式的，即幾個(gè)有弱相互作用的納米片的卷曲；（c）同心式的，通過(guò)卷曲或者折疊成多層的納米管。但實(shí)際上，（c）種形狀在合成時(shí)很難出現(xiàn)。Yao和Ma通過(guò)TEM研究分別證實(shí)了(a)和(b)構(gòu)型鈦納米管的存在。

梁建等則認(rèn)為鈦納米管的生長(zhǎng)機(jī)理符合3-2-1D的生長(zhǎng)模型，在水熱合成的過(guò)程中，在高壓高溫和強(qiáng)堿作用下，二氧化鈦塊體沿著(110)晶面被剝落成碎片，在片的兩面有不飽和懸掛鍵，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，不飽和懸掛鍵增多，使薄片的表面活性增強(qiáng)，開(kāi)始卷曲成管狀，以減少體系的能量，這一點(diǎn)從反應(yīng)中間產(chǎn)物中觀察到大量的片狀及卷曲態(tài)得的到證明。Dimitry V.Bavykin[19]等系統(tǒng)地研究了合成溫度以及TiO2/NaOH mol 比對(duì)制備二氧化鈦納米管形貌的影響.認(rèn)為 圖3-b 符合氧化鈦納米管的形成機(jī)理，并給出了形成機(jī)理的原始驅(qū)動(dòng)力的解釋。Dimitry V.Bavykin等進(jìn)行了氧化鈦納米管形成的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究。該模型見(jiàn)圖4 能夠很好的解釋實(shí)驗(yàn)中增加TiO2/NaOH的摩爾比，氧化鈦納米管的平均管徑也增大。同時(shí)也可以解釋反應(yīng)溫度增加有利于納米管的平均管徑增大。

2.2 納米管的熱穩(wěn)定性及氧化鈦納米管的晶型

由于二氧化鈦納米管為無(wú)定形結(jié)構(gòu)，在熱力學(xué)上，屬于介穩(wěn)態(tài)。因此研究溫度對(duì)其熱穩(wěn)定性的影響頗有必要。王保玉等以TiO2為原料制備成TiO2納米管，通過(guò)不同溫度焙燒得到不同的樣品，用TEM,XRD,FT-IR,BET等手段詳細(xì)的研究了溫度對(duì)晶型，比表面積的影響。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙燒存在著兩次比表面積的突降，用化學(xué)法合成的納米管在400 ℃時(shí)，比表面積降到很小，管的結(jié)構(gòu)嚴(yán)重被破壞。用化學(xué)法合成的納米管是無(wú)定形的，而模板法制備的納米管為銳鈦礦型的。這可能是因?yàn)榛瘜W(xué)法制備的納米管為多層，層與層之間不能形成三維空間的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。而王芹等研究則發(fā)現(xiàn)鈦納米管經(jīng)過(guò)400 ℃熱處理后能保持其納米管的形貌，600 ℃有納米管間燒結(jié)的現(xiàn)象，800 ℃時(shí)管的形狀完全被破壞。可見(jiàn)合成方法的不同，氧化鈦納米管的熱穩(wěn)定性也有很大的差異。

Graham Armstrong等用水熱法合成的氧化鈦納米管晶型為TiO2-B，具有竹子狀的二氧化鈦，是以TiO6八面體為基礎(chǔ)通過(guò)共用邊和共頂點(diǎn)形成的多晶，不同于銳鈦礦相，金紅石相和板鈦礦相，密度比上述三種晶型都稍低。但XRD的 3

結(jié)果表明，TiO2-B的結(jié)構(gòu)中仍還有痕量的銳鈦礦相。梁建等用水熱法合成，控制溫度130 ℃，晶化時(shí)間2~3天，成功制備了多層的銳鈦礦和金紅石混晶的TiO2納米管。王保玉等研究發(fā)現(xiàn)，氧化鈦納米管為多層管，每個(gè)單層相當(dāng)于 一個(gè)氧化鈦分子的厚度，層與層之間不在以化學(xué)鍵存在，Ti在納米管中的配位和八面體結(jié)構(gòu)未達(dá)到飽和，拉曼光譜表明，TiO2納米管以無(wú)定型的形態(tài)存在。Tomoko Kasuga等用10 M NaOH溶液水熱條件下110 ℃處理20小時(shí)，得到具有針狀結(jié)構(gòu)的納米管，晶型為銳鈦礦型。可見(jiàn)納米管的晶型，隨著水熱處理的溫度和時(shí)間變化而有所不同。TiO2納米材料的的二級(jí)結(jié)構(gòu)

在水熱處理的過(guò)程中，除了生成納米管本身的一級(jí)結(jié)構(gòu)外，還存在納米管之間的聚集，因而產(chǎn)生了氧化鈦納米管的二級(jí)結(jié)構(gòu)。Dimitry V.Bavykin等研究發(fā)現(xiàn)，納米管的二級(jí)結(jié)構(gòu)取決于前驅(qū)體二氧化鈦的量和所用NaOH的體積，其比例越小，生成的氧化鈦納米管越傾向聚集成球狀。這可能是由于在水熱條件下生成納米管的過(guò)程是一個(gè)比較緩慢的過(guò)程，影響因素較復(fù)雜造成的。TiO2納米材料的改性

TiO2納米材料的很多應(yīng)用都是和其光學(xué)性質(zhì)緊密相連的。但是，TiO2的帶隙在一定程度上限制了TiO2納米材料的效率。金紅石型TiO2的帶隙是3.0eV，銳鈦礦型是3.2eV，只能吸收紫外光，而紫外光在太陽(yáng)光中只占很小的一部分(<10%)。因而，改善TiO2納米材料性能的一個(gè)目的就是將其光響應(yīng)范圍從紫外光區(qū)拓展到可見(jiàn)光區(qū)，從而增加光活性。目前經(jīng)常采用的改性方法包括貴金屬沉積、離子摻雜、染料敏化和半導(dǎo)體復(fù)合等方法。

5.1 貴金屬沉積

半導(dǎo)體表面貴金屬(包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag)沉積可以通過(guò)浸漬還原、表面濺射等方法使貴金屬形成原子簇沉積附著在TiO2表面.由于貴金屬的費(fèi)米能級(jí)比TiO2的更低,光激發(fā)電子能夠從導(dǎo)帶轉(zhuǎn)移到沉積在TiO2表面的貴金屬顆粒上,而光生價(jià)帶空穴仍然在TiO2上.這些行為大大降低了電子和空穴再結(jié)合的可能性,從而改善其光活性.Anpo和Takeuchi制備了Pt沉積TiO2用于光催化分解水制氫實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)產(chǎn)氫效率得到了明顯提高.Sakthivel等研究了用Pt、Au和Pt沉積TiO2做光催化劑時(shí)對(duì)酸性綠16的光致氧化作用,發(fā)現(xiàn)與未沉積貴金屬的TiO2相比,光催化效率得到了不同程度的提高.5.2 離子摻雜

TiO2半導(dǎo)體離子摻雜技術(shù)是用高溫焙燒或輔助沉積等手段，通過(guò)反應(yīng)將金屬離子轉(zhuǎn)入TiO2晶格結(jié)構(gòu)之中。離子的摻雜可能在半導(dǎo)體晶格中引入缺陷位置和改變結(jié)晶度等。影響了電子和空穴的復(fù)合或改變了半導(dǎo)體的激發(fā)波長(zhǎng)，從而改變TiO2的光活性。但是，只有一些特定的金屬離子有利于提高光量子效率，其他金屬離子的摻雜反而是有害的。Choi等系統(tǒng)地研究了21種金屬離子摻雜對(duì)

TiO2光催化活性的影響，發(fā)現(xiàn)Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh離子摻雜可以把TiO2的光響應(yīng)拓寬到可見(jiàn)光范圍，其中Fe離子摻雜效果最好，而摻雜Co和Al會(huì)降低其光催化活性。Wu等定性分析了過(guò)渡金屬(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)離子摻雜對(duì)TiO2的光催化活性的影響。Xu等比較了不同稀有金屬(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)離子摻雜對(duì)TiO2光催化活性的影響。

陰離子摻雜可以改善TiO2在可見(jiàn)光下的光催化活性、光化學(xué)活性和光電化學(xué)活性。在TiO2晶體中摻雜陰離子(N、F、C、S等)可以將光響應(yīng)移動(dòng)到可見(jiàn)光范圍。不像金屬陽(yáng)離子，陰離子不大可能成為電子和空穴的再結(jié)合中心，因而能夠更有效地加強(qiáng)光催化劑的催化活性。Asahi等測(cè)定了取代銳鈦礦TiO2中O的C、N、F、P和S的摻雜比例。發(fā)現(xiàn)p態(tài)N和2p態(tài)O的混合能使價(jià)帶邊緣向上移動(dòng)從而使得TiO2帶隙變窄。盡管S摻雜同樣能使TiO2帶隙變窄，但是由于S離子半徑太大很難進(jìn)入TiO2晶格。研究表明C和P摻雜由于摻雜太深不利于光生電荷載體傳遞到催化劑表面，所以對(duì)光催化活性的影響不是很有效。Ihara等將硫酸鈦和氨水的水解產(chǎn)物在400℃的干燥空氣中煅燒，得到了可見(jiàn)光激發(fā)的N摻雜TiO2光催化劑。

5.3 染料敏化

有機(jī)染料被廣泛地用作TiO2的光敏化劑來(lái)改善其光學(xué)性質(zhì)。有機(jī)染料通常是具有低激發(fā)態(tài)的過(guò)渡金屬化合物，像吡啶化合物、苯二甲藍(lán)和金屬卟啉等。Yang等用聯(lián)吡啶、Carp等用苯二甲藍(lán)染料作為感光劑敏化TiO2,發(fā)現(xiàn)這些染料可以改善光生電子空穴對(duì)的電荷分離，從而改善了催化劑的可見(jiàn)光吸收。

5.4 半導(dǎo)體復(fù)合

半導(dǎo)體復(fù)合是提高TiO2光效率的有效手段。通過(guò)半導(dǎo)體的復(fù)合可以提高系統(tǒng)的電荷分離效率，擴(kuò)展其光譜響應(yīng)范圍.從本質(zhì)上說(shuō)，半導(dǎo)體復(fù)合可以看成是一種顆粒對(duì)另一種顆粒的修飾。Sukharev等將禁帶寬度與TiO2相近的半導(dǎo)體ZnO與TiO2復(fù)合，因復(fù)合半導(dǎo)體的能帶重疊使光譜響應(yīng)得到發(fā)展。通過(guò)對(duì)ZnO/TiO2、TiO2/CdSe、TiO2/PbS、TiO2/WO3等體系的研究表明，復(fù)合半導(dǎo)體比單個(gè)半導(dǎo)體具有更高的光活性。GurunathanK等將CdS(帶隙2.4eV)和SnO2(帶隙3.5eV)復(fù)合在可見(jiàn)光下制氫得到了更高的產(chǎn)氫率。總結(jié)與展望

針對(duì)TiO2納米材料的性質(zhì)、合成、改性和應(yīng)用，人們已經(jīng)做了廣泛的研究。隨著TiO2納米材料的合成和改性方面的突破，其性能得到不斷地改善，新應(yīng)用也不斷的被發(fā)現(xiàn)。但從目前的研究成果看，可見(jiàn)光催化或分解水效率還普遍很低。因此如何通過(guò)對(duì)納米TiO2的改性，有效地利用太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光部分，降低TiO2光生電子空穴對(duì)的復(fù)合機(jī)率，提高其量子效率是今后的研究重點(diǎn)。

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