第一篇：納米TiO2自清潔性及其應用

納米TiO2自清潔性及其應用

201240720221劉婷 應化2班

摘 要：由于自潔凈材料具有光催化、自清潔、抗菌等功能 ,人們對光催化自潔凈材料的研究日益關注，市場對于自清潔薄膜產品的需求也日益增加，其發(fā)展前景非常樂觀。本文主要概述了納米二氧化鈦自清潔材料的機理及應用。關鍵詞：光催化；TiO2；自清潔；應用 引言

隨著人類社會的發(fā)展，環(huán)境污染問題受到人們越來越多的關注，如何消除或減少工業(yè)生產對環(huán)境造成的污染已成為一個全球性的問題。TiO2能直接利用包括太陽光在內的各種途徑的紫外光，在室溫下對各種有機的或無機的污染物進行分解或氧化，從空氣中清除這些污染物。該項技術具有能耗低、易操作、除凈度高等特點，尤其對一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且沒有二次污染等，成為多相光催化領域的研究熱點，具有廣泛的應用前景。2 自清潔機理 2.1 光催化機理

TiO2是一種n型半導體材料，有強的氧化性和還原性。在光化學反應中，以TiO2作催化劑，在太陽光，尤其是在紫外線的照射下，使TiO2固體表面生成空穴(h+)和電子(e-)。空穴(h+)使H2O氧化，電子(e-)使空氣中的O2還原，使有機物氧化為CO2、H2O等簡單的無機物[1]。光催化反應的機理模式如下: TiO2 + hγ → e-+ h+ h+ + H2O →·OH+ H+ e-+ O2 →·O2-·O2-+ H+ →HO2· 2HO2·→O2+H2O2 H2O2+·O2-→·OH +OH-1.2 親水性機理

在紫外光照射的條件下，氧化鈦表面的超親水性是由于其表面的結構變化：在紫外光的照射下，氧化鈦價帶的電子被激發(fā)到了導帶，電子和空穴向氧化鈦表面遷移，在表面形成電子空穴對，電子與Ti4+反應，空穴則同薄膜表面的橋氧離子反應，分別生成Ti3+和氧空位，空氣中的水分子與氧空位結合形成表面羥基,形成物理吸附水層, 其表面就會有極強的親水性,與水的接觸角減小到5°以下,甚至水滴可以完全浸潤二

氧化鈦薄膜表面，薄膜具有的這種性質稱為超親水性。

從實際應用角度看，薄膜所處的環(huán)境是復雜多變的，涉及到溫度、空氣的濕度、日照時間、空氣中灰塵的濃度等因素。特別是空氣中的灰塵，一旦積聚在薄膜表面并形成化學結合，必將大大減弱薄膜的親水性能。TiO2薄膜必須不斷進行光催化降解而除去這些污染物，才能達到自清潔的效果[2]。2 自清潔材料的應用

在室內環(huán)境凈化研究中，利用納米TiO2的光催化性和超親水性, 將納米TiO2負載在墻紙、日光燈、窗玻璃上，可以除去空氣中的細菌和有機污染物；經(jīng)納米TiO2負載的抗菌陶瓷用品是醫(yī)院、賓館衛(wèi)生設施抗菌除臭的理想材料；將納米TiO2摻入建筑涂料中,可以提高涂料的防水性,防污性，而且對人體和環(huán)境無任何損害。將納米TiO2膜用于建筑材料表面時,可使建材表面具有凈化空氣、殺菌、除臭、防污等環(huán)保功能，大大節(jié)省保潔費用。2.1 自清潔玻璃 2.1.1 自清潔玻璃的定義

自清洗玻璃是優(yōu)質清潔玻璃基片鍍膜后，經(jīng)太陽光照射后，具有降解有機物和光誘導超親水性，在雨水的洗刷下，能將污物松散和除去，達到玻璃表面的自潔凈的玻璃[3]。

2.1.2 自清潔玻璃的機理

自清潔玻璃則是通過在玻璃表面鍍制TiO2光催化涂層來實現(xiàn)的。該涂層在陽光中的紫外線的作用下，將其表面附著的有機物分解為H2O和無害的無機物, 使玻璃表面具有超親水性，從而使玻璃變得易清洗、不結霧。當水在TiO2薄膜表面的接觸角小于15°時具有高的水流動性，小于10°時有自清潔效果，小于7°時有防霧效果[4]。2.2 自清潔陶瓷

在陶瓷表面涂以TiO2的途層，可以使這些材料的表面經(jīng)光照后具有防污垢沉積、易洗、易干等“自潔”功能。陶瓷的表面吸附了空氣中的有機物和無機物后，有機物不溶于水，形成污垢，表面變臟，且有機污垢用水很難擦洗干凈。如果這些材料表面涂敷-層TiO2薄膜，利用光催化作用，可以把吸附在表面的有機物分解成CO2和H2O，剩余的無機物可以被雨水沖刷干凈，這個過程就是自清潔[5]。

日本ToTo公司在世界上首先開發(fā)出具有抗菌效果的建筑衛(wèi)生陶瓷。目前我國在自潔凈陶瓷的研究和開發(fā)方面也已取得了明顯的進展。劉平等采用改進的Sol-Gel技術制備了負載型自清潔陶瓷,考察了熱處理條件和膜厚度等光催化膜制備與反應條件對自清潔陶瓷光催化活性的影響,研究結果表明,滅菌效果和油酸光降解速度取決于負載光催化膜的晶相組成、晶粒大小及其比表面積。賀飛等采用溶膠-凝膠法,在自制的陶瓷釉體表面負載粒徑大小為40～100 nm的TiO2晶粒 ,形成透明均一無“彩虹效應”的TiO2光催化薄膜型自潔功能陶瓷,具有超強親水性和去污功能[6]。

2.3 自清潔涂料

自清潔涂料，也稱自潔凈涂料、光催化劑涂料等，在功能上與自清潔陶瓷或自清潔玻璃一樣，利用了光催化材料的超級氧化，分解污物的能力和超親水性。與自清潔瓷磚或玻璃不同的是，涂料可以在室溫下成膜、可適用范圍和場合更廣、制作和運輸更方便、價格更低廉[7]。

自清潔涂層能夠使表面污染物或灰塵顆粒在重力、雨水、風力等外力作用下自動脫落或通過光催化降解而除去，具有節(jié)水、節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)點，在建筑、交通、新能源等行業(yè)具有重要的應用前景。近年來，它已成為先進功能涂料的研究熱點。目前，基于不同的自清潔原理，已發(fā)展了兩類自清潔涂層。一類是超疏水(水接觸角>150°)自清潔涂層，它通過水滴滾動帶走灰塵，實現(xiàn)類似于荷葉的自清潔功能。如在 2000 年，德國推出具有“荷葉自清潔”功能的硅樹脂外墻涂料，墻面灰塵可通過雨水沖刷去除，達到自清潔效果。但現(xiàn)有超疏水涂層仍存在制備工藝復雜、制備面積小、力學性能差、耐油性污染物能力差等問題，缺乏實際使用價值。另一類是基于無機光催化半導體材料的自清潔涂層。在這一類自清潔涂層中，最為典型的是二氧化鈦(TiO2)涂層材料[8]。2.4 自清潔紡織品

紡織品經(jīng)常洗滌容易起毛起球和變形，既影響穿著舒適性又影響美觀。因此，研究與開發(fā)出一種具有光催化自清潔功能的納米自清潔紡織產品，將具有較大的實際意義，能產生較大的經(jīng)濟效益與社會效益。

經(jīng)過納米自清潔整理的羊絨織物纖維表面均勻分布了大量的納米復合粉體顆粒。由于納米材料粒徑小，表面能高，因此它能牢而提高，這是因為增加納米整理劑濃度的同時，吸附在羊絨針織品上的納米TiO2復合粉體將會增加，當光子照射到織物表面的時候，就會激發(fā)出更多的高活性自由移動的光生電子(e-)和空穴(h+)，生成更多的超氧陰離子自由基(·O2-)和羥基自由基(·OH)，致使更有效地將有機油污直接氧化為CO2和 H2O等無機小分子[9]。

納米TiO2用于對織物的整理,在日光照射或其他含有紫外光的光線照射下,織物中的納米二氧化鈦產生光催化作用,具有排除灰塵、氣味、細菌、色澤污跡及分解有害有機物質如甲醛等物質的功能。2.5 自清潔綠色外墻瓷磚

外墻瓷磚在建筑上使用廣泛，但其清洗維護則存在勞動強度大、環(huán)境污染重和成本費用高等問題。

綠色外墻瓷磚是指具有光催化性能和自清潔功能的環(huán)境友好型免維護外墻瓷磚，通常在普通外墻瓷磚表面通過物理或化學方法沉積一層堅硬牢固的光活性納米二氧化鈦膜層。二氧化鈦膜層經(jīng)過太陽光中的紫外線照射后，能夠將表面附著的油污等有機污染物高效降解為二氧化碳和水。同時，無機污染物也不易附著在自潔凈外墻瓷磚

表面，經(jīng)紫外線照射的瓷磚表面具有良好的親水性。雨水落在外墻瓷磚上面時，形成一層薄的水膜，而不是水珠，雨水不會聚集在一處而是擴散到整個表面,均勻地沖刷掉浮在瓷磚表面上的污跡，不會在普通外墻瓷磚上留下難看的條痕。通常自然的降雨就能夠使綠色外墻瓷磚保持長期的清潔效果。在雨水稀少時，降解后的污跡顆粒能夠被風吹掉，用清水簡單地沖洗也能使外墻瓷磚保持潔凈[10]。3 結語

研發(fā)具有抗菌和自凈化功能的自清潔材料對保護環(huán)境和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義,這類新型功能材料的使用面極廣,具有廣闊的發(fā)展和應用前景。但是,目前自清潔材料的產業(yè)化受到了一些技術上的制約:其在可見光下的光催化效率太低, TiO2膜的大面積制備技術也不夠成熟,自清潔性能的持久性還有待提高等。今后的自清潔材料將會朝著光催化效率更高,自清潔性能更穩(wěn)定的方向發(fā)展。同時,自清潔材料的應用領域還可以不斷的拓寬,如空氣凈化、污水處理、光催化反應器和太陽能電池組件等。只有通過不斷的研究和探索,才能更大的發(fā)揮光催化自潔凈材料的作用,使它能滿足人們對較高生活質量的追求。

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第二篇：納米TiO2的制備方法與應用

1.1 納米材料的概述

納米是英文namometer的譯音，是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當于45個原子排列起來的長度。通俗一點說，相當于萬分之一頭發(fā)絲粗細。就像毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，并沒有物理內涵。當物質到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能[2]。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，像鐵鈷合金，把它做成大約20-30nm大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料[3]。

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教臁⑿滦蛙娛卵b備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術。新產品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一[4]。

1.2 納米TiO2的概述

鈦的氧化物——二氧化鈦，是雪白的粉末，是最好的白色顏料，俗稱鈦白。以前，人們開采鈦礦，主要目的便是為了獲得二氧化鈦。鈦白的粘附力強，不易起化學變化，永遠是雪白的。特別可貴的是鈦白無毒。它的熔點很高，被用來制造耐火玻璃，釉料，琺瑯、陶土、耐高溫的實驗器皿等[5]。

納米TiO2具有獨特的光催化性、優(yōu)異的顏色效應以及紫外線屏蔽等功能,在光催化劑、化妝品、抗紫外線吸收劑、功能陶瓷、氣敏傳感器件等方面具有廣闊的應用前景。

1.3 納米TiO2的制備方法 納米TiO2在光催化領域具有舉足輕重的地位，因此制備高光催化性能的納米TiO2一直也是光催化研究的重點內容。納米TiO2的制備方法大致可以分為氣相法和液相法[6]。

1.3.1氣相法

氣相法是正在開發(fā)的一種優(yōu)良方法，多用于制備納米級別的粒子或薄膜，該法是使用鈦鹵化物、鈦有機化合物等在加熱條件下?lián)]發(fā)，經(jīng)氣相反應使生成物沉淀下來。氣相法合成納米Ti02顆粒具有純度高、粒度細、分散性好、組分易于控制等優(yōu)點[7]。但是氣相法由于受能耗大、設備復雜、產品生產成本高、對設備材質及工藝過程要求高等條件限制，在我國要實現(xiàn)工業(yè)化生產，還要解決設備材質及一系列制備的工程技術問題。

1.3.2液相法

液相法是選擇可溶于水或有機溶劑的鈦鹽，使其溶解并以粒子或分子狀態(tài)混合均勻，再選擇一種合適的沉淀劑或采用蒸發(fā)、結晶、升華、水解等過程，將鈦離子均勻沉淀后結晶出來，再經(jīng)脫水或熱分解制得粉體。液相法具有合成溫度低、設備簡單、易操作、成本低等優(yōu)點，是目前實驗室和工業(yè)上廣泛采用的方法。其中包括溶膠——凝膠法、水熱合成法、化學沉淀法等。

20世紀70年代以來溶膠——凝膠法在玻璃氧化物涂層、功能陶瓷粉料、玻璃和陶瓷纖維，尤其是燒結方法難以制備的復合氧化物材料、高Tc氧化物超導材料等的合成中得到成功的應用。該法制備的有機/無機納米復合材料，可用于改性無機玻璃、陶瓷及其它氧化物材料，也可用此方法以無機材料改性有機高聚物及復合膜的制備[8]。

（1）溶膠——凝膠法

溶膠——凝膠法具有化學均勻性好、純度高、化學計量比易控制、設備簡單、易操作等優(yōu)點，是目前研究得較多的二氧化鈦制備方法。

溶膠——凝膠法制備二氧化鈦粉體或薄膜基本原理是將金屬醇鹽或無機鹽在有機介質中水解、縮聚反應得到凝膠，凝膠經(jīng)陳化、干燥、鍛燒制得所需材料。

溶膠——凝膠法制備納米二氧化鈦粉體雖然具有化學均勻性好、純度高、易操作和成本低等優(yōu)點，但其不足是制樣需要的時間周期長；而且由于需要高溫鍛燒，導致粉體顆粒尺寸分布寬、易團聚和比表面積低等，從而導致其光催化活性低[9]。因此，近幾年來，溶膠——凝膠法制備納米二氧化鈦粉體及其光催化性能的研究已經(jīng)很少見報道，但在制備納米二氧化鈦相關的薄膜時也還常用溶膠——凝膠法。（2）沉淀法

沉淀法是指在包含一種或多種離子的可溶性鹽溶液中，當加入沉淀劑(如氫氧根、碳酸根、草酸根等)后，或于一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類從溶液中析出，并將溶劑和溶液中原有的陰離子洗去，經(jīng)熱分解或脫水即得到所需氧化物粉體的方法[10]。沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法和金屬醇鹽水解法。沉淀法制備納米二氧化鈦時，控制成核和核生長速度是獲得納米二氧化鈦顆粒大小的關鍵步驟。

沉淀法在制備金屬陽離子和非金屬陰離子摻雜納米下氧氣方面也常用。雖然沉淀法以工藝條件簡單、制樣時間較短、成本低等優(yōu)點一直被應用于制備納米二氧化鈦相關的催化劑，但沉淀法制備的沉淀仍然需要高溫鍛燒才能得到銳鈦礦型或金紅石型二氧化鈦，因此也存在粉體顆粒尺寸分布寬、易團聚和比表面積低等問題[11]。

（3）水熱法

水熱法(溶劑熱法)是指在特制的密閉反應容器(高壓釜)里，采用某種溶劑(水或有機溶劑)作為反應介質，通過對反應容器加熱，創(chuàng)造一個高溫、高壓反應環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質溶解，然后發(fā)生一系列反應合成(制備化合物的方法。當以水作溶劑時，就叫水熱法，以示與有機溶劑作溶劑的溶劑熱法區(qū)別[12]。

水熱法廣泛應用于制備納米二氧化鈦，納米二氧化鈦的晶型、形貌、晶粒大小、比表面積等受體系pH、水熱溫度、保溫時間、欽醇鹽或無機，徐濃度、溶劑組成、礦化劑(外加電解質)等的影響。通常強酸性介質和較高的水熱溫度有利于形成金紅石相，中性及弱酸性介質和較低的水熱溫度則有利于銳鈦礦相的形成。

水熱法(溶劑熱法)在制備粉體方面具有: 1)產物粉末細、純度高、分散性好、分布窄、晶型好、無需高溫鍛燒;2)晶粒物相和形貌易控；

3)工藝較為簡單，成本也較低等特點。具體到水熱法合成二氧化鈦光催化應用方面，由于合成的二氧化鈦可以從幾納米至幾十納米，幾納米時通常具有量子尺寸效應(帶隙邊藍移)和表面效應(高比表面積)，所以在紫外光條件下常具有較高的光催化活性。

（4）鈦醉鹽高溫水解法

將金屬欽醇鹽稀釋到一定量的有機溶劑中，將欽醇鹽溶液裝入試驗管，把試驗管放入高壓反應釜內，在試驗管與高壓反應釜內壁間隙之間注入一定量的水或有機溶劑(當在間隙之間注水時叫“鈦醇鹽高溫水解法”，當注入有機溶劑時叫“鈦醇鹽高溫熱分解法”。在反應釜升溫過程中水逐漸蒸發(fā)以氣態(tài)形式溶入有機溶劑使鈦醇鹽發(fā)生水解，生成的二氧化鈦同時在有機溶劑中晶化得到納米二氧化鈦。

鈦醇鹽高溫水解法的特點是：

1)水解、縮聚和晶化都在高溫下連續(xù)進行；

2)水與鈦醇鹽可按化學計量比進行水解反應。用該方法制備的納米二氧化鈦具有比表面積大、熱穩(wěn)定性高(指晶粒和比表面積在高的鍛燒溫度下沒有顯著變化，以及相組成在高的緞燒溫度下保持不變等)、結晶度高、表面缺陷低等優(yōu)點。

1.4 納米TiO2的應用

納米TiO2 能處理多種有毒化合物，包括工業(yè)有毒溶劑、化學殺蟲劑、木材防腐劑、染料及燃料油等，迄今詳細研究過的有機物達100種以上。此外，TiO2光催化技術也被用于無機污染物的處理[13]。利用光催化法在檸檬酸根離子存在下，可以使Hg2+被還原成Hg而沉積在TiO2表面；此法同樣適用于鉛。TiO2光催化可能降解的無機污染物還有氰化物，SO2、H2S、NO和NO2等有害氣體也能被吸附在TiO2表面，在光的作用下轉化成無毒無害物質。

1.4.1空氣凈化

當前解決空氣污染主要有物理吸附法(活性炭)、臭氧凈化法、靜電除塵法、負氧離子凈化法等，但是這些方法自身都有著難以克服的弊端，所以一直難以大范圍地推廣使用。與其相比，利用納米光催化TiO2凈化空氣則有如下優(yōu)點：降解有機物的最終產物是CO2和H2O，沒有其它毒副產物出現(xiàn)，不會造成二次污染；納米微粒的量子尺寸效應導致其吸收光譜的吸收邊藍移，促進半導體催化劑光催化活性的提高；納米材料比表面積很大，增強了半導體光催化劑吸附有機污染物的能力[14]。

利用納米光催化TiO2治理空氣污染已經(jīng)得到廣泛應用，國內外都出現(xiàn)了很多產品，例如納米空氣凈化器、中央空調凈化模塊、光觸媒涂料等，市場前景非常廣闊。

1.4.2水處理

傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到好的解決。納米技術的發(fā)展和應用很可能徹底解決這一難題。

研究表明，納米TiO2能處理多種有毒化合物，可以將水中的烴類、鹵代烴、酸、表面活性劑、染料、含氮有機物、有機磷殺蟲劑、木材防腐劑和燃料油等很快地完全氧化為CO2、H2O等無害物質[15]。此外，納米TiO2在降解毛紡染料廢水、有機溴（或磷）殺蟲劑等到方面也有一定效果。無機物在TiO2表面也具有光化學活性。例如，廢水中的Cr6＋具有較強的致癌作用，在酸性條件下，TiO2對Cr6+具有明顯的光催化還原作用。在pH 值為2.5的體系中，光照1h 后，Cr6+被還原為Cr3+。還原效率高達85% [16]。迄今為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有3000多種難降解的有機化合物可以在紫外線的照射下通過納米TiO2或ZnO而迅速降解，特別是當水中有機污染物濃度很高或用其他方法很難降解時，這種技術有著明顯的優(yōu)勢。德國開發(fā)出了利用陽光和光催化劑對污水進行凈化的裝置，每小時可凈化100-150升水。

雖然利用納米光催化TiO2進行水處理目前還未得到廣泛應用，但我們可以看出它未來的應用前景必將非常廣闊。

1.4.3殺菌消毒

納米TiO2的殺菌作用是利用光催化產生的空穴和形成于表面的活性氧類與細菌細胞或細胞內的組成成分進行生化反應，使細菌頭單元失活而導致細胞死亡，并且能使細菌死亡后產生的內毒素分解[17]。研究表明：將TiO2涂覆在陶瓷、玻璃表面，經(jīng)室內熒光燈照射1小時后可將其表面99％的大腸桿菌、綠膿桿菌、金黃色葡萄球菌等殺死。

目前國外新型無機抗菌劑的開發(fā)與抗菌加工技術進展較快，已經(jīng)形成系列化產品，其中TiO2高催化活性納米抗菌劑是市場前景最好的品種。日本在TiO2光催化抗菌材料研究與應用起步較早，日本東陶等多家公司開發(fā)的光催化TiO2抗菌瓷磚和衛(wèi)生潔具已經(jīng)大量投放市場[18]。日本將今后發(fā)展的目光投向歐美國際抗菌產品市場，預計海外市場將是其國內市場的10倍，他們也極其關注中國抗菌塑料近年來的迅猛發(fā)展，紛紛搶灘中國市場[19]。

在當今世界性的環(huán)境污染問題越來越受到各國政府重視的情況下，利用納米材料進行環(huán)境治理已經(jīng)成為各國高科技競爭中的一個熱點[20]。在納米光催化方面日本、美國等國家均投入巨資開展研究與開發(fā)工作，并大力推動其產業(yè)化，目前已有多種產品出現(xiàn)，其中所使用的納米光催化材料絕大多數(shù)都是TiO2[21]。

1.5 國內外納米TiO2的現(xiàn)狀

20世紀80年代以前，納米TiO2的研究開發(fā)目的主要是作為精細陶瓷原料、催化劑、傳感器等，需求量不大，沒有形成大的生產規(guī)模。80年代以后，開發(fā)的納米TiO2用作透明效應和紫外線屏蔽劑，為納米TiO2打開了市場。1.5.1 國外納米TiO2的現(xiàn)狀

20世紀80年代以前，納米TiO2的研究開發(fā)目的主要是作為精細陶瓷原料、催化劑、傳感器等，需求量不大，沒有形成大的生產規(guī)模。80年代以后，開發(fā)的納米TiO2用作透明效應和紫外線屏蔽劑，為納米TiO2打開了市場，使納米TiO2的生產和需求大大增加，成為鈦白工業(yè)和涂料工業(yè)的一個新的增長點[22]。

由于納米TiO2在催化及環(huán)境保護等方面具有廣闊的應用前景，并可用于日用產品、涂料、電子、電力等工業(yè)部門，因此，納米TiO2展現(xiàn)出巨大的市場前景。日本、美國、英國、德國和意大利等國對納米TiO2進行了深入的研究，并已實現(xiàn)納米TiO2的工業(yè)化生產[23]。目前全世界已經(jīng)有十幾家公司生產納米TiO2，總生產能力估計在(6000～10000)t/a，單線生產能力一般為(400～500)t/a。

近幾年，有關納米TiO2的新建裝置已很少報道，主要是已建成裝置的生產能力已遠遠超出市場的實際消費量，多數(shù)廠家處于開工不足或停產的狀態(tài)[24]。主要原因是目前國際上公認的納米TiO2制備和應用技術還有待于提高，技術要點和難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①國際上納米TiO2的價格為(30～40)萬元/t，其成本大致是銷售價格的2/5，原料和工藝路線的選擇是降低生產成本的關鍵因素；②納米TiO2的晶型和粒度控制技術[25]；③金紅石型納米TiO2的表面處理技術；④納米TiO2應用分散技術；⑤納米TiO2應用功能的提升技術：⑥納米TiO2產業(yè)化成套技術[26]。由于以上條件的制約，使得納米TiO2的應用和發(fā)展受到限制。

1.5.2 我國納米TiO2的現(xiàn)狀

在國外普遍開展了納米TiO2的制備和應用技術開發(fā)，并取得了階段性成果，我國納米TiO2的研究在“九五”期間形成了高潮，據(jù)了解，進行納米粉體制備技術研究的科學院所和高校幾乎都在進行和進行過納米TiO2的研究[27]。重慶大學應用化學系是國內最早(1989年)研究納米TiO2的單位，華東理工大學、中國科學院上海硅酸鹽研究所是目前研究技術較全面、報道最多的單位[28]。

第三篇：納米TiO2處理環(huán)境污染問題（模版）

納米TiO2處理環(huán)境污染問題

隨著科技的快速發(fā)展，環(huán)境污染問題日益嚴峻，而半導體TiO2的多相光催化技術可以降解污染物，這引起了人們的廣泛關注。多相光催化技術是指在反應體系中加入一定量的光敏半導體材料，同時結合一定能量的光照射，使光敏半導體在光的作用下激發(fā)產生電子—空穴對，吸附在半導體材料表面上的溶解氧、水分子等與電子—空穴對作用，產生 OH、O2等氧化性極強的自由基，與預催化的分子發(fā)生一系列的反應。

在多相光催化技術中，光敏半導體材料是關鍵影響因素。常用在研究中的半導體材料有TiO2、CdS和SnO等，但由于TiO2化學性質穩(wěn)定，耐酸堿性好，無毒性，來源豐富成本低，催化效率高，對難降解有機物如苯系化合物、氯系有機物等的處理都非常有效，使得TiO2成為當前最有應用潛力的一種光催化劑。目前用作光催化劑的TiO2主要有兩種晶體結構：銳鈦礦型、金紅石型。納米光催化技術由于具有極強的化學氧化性，可以與污染物發(fā)生徹底反應而且不產生二次污染。近年來，TiO2作為耐久的光催化劑在環(huán)保、衛(wèi)生等領域得到了廣泛的應用。下面，我們從三個方面了解TiO2的光催化性質。

一、納米TiO2的光催化反應原理

TiO2是一種寬禁帶半導體，其能帶結構是不連續(xù)的，通常情況下是由一個充滿電子的低能級價帶和一個空的高能級導帶構成，它們之間被禁帶隔開。TiO2的禁帶寬度為3.2eV，半導體的光吸收閾值λg與禁帶寬度Eg有著密切的關系，其關系式為：

λg（nm）=hc/Eg(eV)式中h為普朗克常數(shù)，h=4.13 566 743*10-15eV.s , c為光速，λg為光的波長。

上式也可寫成λg（nm）=1240/ Eg（eV）當用波長小于或等于387.5μm的光照射時，納米半導體材料TiO2的活性被激發(fā)，電子（e-）就會被從價帶（VB）激發(fā)到導帶（CB），留下空穴（h+）在價帶，從而形成電子—空穴對，二者之間也存在著復合的可能性，如果缺少適當?shù)碾娮雍涂昭ǖ姆@劑，激發(fā)態(tài)的導帶電子和價帶空穴又能重新合并，使光能以熱能或其它形式散發(fā)掉。價帶的空穴是良好的氧化劑（+1.0~3.5V），而導帶的電子是良好的還原劑（+0.5~1.5V），大部分有機物的降解反應不是直接就是間接地利用了空穴氧化劑的能量。當TiO2表面存在合適的俘獲劑或表面存在缺陷時，電子（e-）和空穴（h+）的重新復合就會得到抑制，在它們復合前，就會在TiO2的表面發(fā)生氧化還原反應。空穴具有很大的反應活性，與表面吸附的水（H2O）或OH-離子反應形成具有強氧化性的羥基自由基（·OH）。電子與空氣中的氧氣（O2）發(fā)生還原反應，生成超氧離子（·O-2），還可以催生羥基自由基。具體反應原理如圖1所示：

圖1 二氧化鈦光催化原理圖

二、納米TiO2在環(huán)境污染治理中的應用

由于光催化作用持久、化學性質穩(wěn)定、無二次污染、對人體和環(huán)境無害、資源豐富價格低等優(yōu)點，使納米TiO2光催化技術的研討成為環(huán)境工作者關注的一個焦點。

（1）分解污水中的有機物

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染日益加重，高濃度有毒有機污染物成為水處理過程中的難點。光催化技術作為較突出的一種高級氧化技術。同傳統(tǒng)的化學氧化法相比，納米TiO2具有氧化能力強、氧化過程無選擇性、反應徹底等優(yōu)點。

工業(yè)污水和生活污水中含有大量的有機污染物，尤其是工業(yè)污水中有大量的有毒、有害物質。美國環(huán)保局公布了114種有機污染物，其中有60多種是鹵代有機物，這些污染物用生物處理技術是難以消除的。而采用光催化技術，在人造光源的激發(fā)下，實現(xiàn)了水中三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯的高效氧化；油類及其衍生物引起的污染問題近年來不斷出現(xiàn)，這些物質具有較長的半衰期，是對環(huán)境危害最大的一類物質。目前清除水面油污主要采用機械清除法、吸附法、油層分散法、生物法及膜技術等。但是這些技術一般效率不高，操作時間長，費用高，容易造成二次污染等。而采用溶膠—凝膠—浸涂法制備的銳鈦型納米TiO2漂浮空心玻璃球載體，連續(xù)光照后能使甲苯被完全去除，正十二烷去除率達93%，（正十二烷、甲苯是石油中的代表物），加入微量的H2O2還可以大大提高二者的光催化效率，目前正在進行光催化去除石油中其它組分的情況研究，為實際應用奠定基礎；農藥中大部分是有機磷、有機氯和含氮化合物，對于農藥的降解研究一般以細菌或真菌為降解媒介，也有采用稀釋生化法處理的，但往往會造成二次污染。而納米光催化技術降解農藥的優(yōu)點是不會產生毒性更強的中間產物，這是許多方法無法比擬的。在降解含農藥的污水中，為提高氧化效率，一般可投加H2O2和在通氧條件下進行。在光照時間足夠長的情況下，可以完全氧化敵敵畏、有機磷。如果在制備載體時使用的是TiO2/ SiO2納米復合材料，其對敵敵畏的光降解速率明顯優(yōu)于純TiO2；染料是在紡織、印染、塑料等行業(yè)經(jīng)常使用的一類材料。對于染料廢水活性污泥法并不是很有效的方法。通常認為活性炭吸附和化學絮凝是比較有效的方法。但這些方法只是把染料從液相轉移到固相中，還需要進一步處理，否則會造成二次污染。而在用普通TiO2粉末對染料進行脫色、降解研究中，發(fā)現(xiàn)納米TiO2對提高染料的脫色率和降解率有一定的效果。（2）水體中重金屬離子的光催化降解研究

金屬類無機物與有機污染物存在著完全不同的性質，它不可能發(fā)生結構的變化，對于污染水體的重金屬，最環(huán)保的方法是回收重金屬，否則很容易造成二次污染。Cr是工業(yè)廢水中常見的有毒重金屬，目前主要通過添加化學還原劑的形式進行處理，以使其毒性降低，但此方法存在一些明顯的不足之處。利用納米TiO2、ZnO為光催化劑，在400W紫外線下，初始濃度為100mg/L的Cr在90min光催化還原—沉淀處理后，迅速降為0.47mg/L，完全達到國家廢水排放標準，其中ZnO的催化效果優(yōu)于TiO2。含氰廢水的排放對環(huán)境是一個嚴重威脅，利用納米TiO2光催化氧化法可降解NaCN水溶液，能使其降解為無毒無害的CNO。汞是重金屬污染水的另一個主要成分，不論是無機汞還是有機汞都具有極強的神經(jīng)毒累計效應，納米TiO2光催化技術被認為是從污染水中去除汞的有效方法之一。在大量的研究后可總結為：光催化技術對金屬離子，尤其是以低濃度存在的金屬離子可以有效去除，Pb2+、Mn2+、TI2+、Co2+在Pt-TiO2表面的沉積速率大小為Pb2+ > Mn2+> TI2+> Co2+，溶解氧可以提高四者的沉積速率。這一研究結果為低含量金屬

-的回收提供了一定的理論基礎。（3）大氣及室內環(huán)境凈化

國內外專家研究表明，繼“煤煙型污染”、“光化學煙霧污染”之后，人們已經(jīng)進入到以“室內空氣污染”為標志的第三污染時期。包括大型百貨商場、學校教室、辦公室、住宅等在內的室內空氣質量，尤其是裝修入住后對人員造成的身體損害案例，近年來成了人們的焦點。

利用光催化技術凈化空氣具有以下優(yōu)點：廣譜性、經(jīng)濟性、殺菌消毒等特點，其效果都是單獨采用紫外光技術和過濾技術所無法比擬的。

大氣污染物主要是指汽車尾氣與工業(yè)廢氣帶來的氮氧化物和硫氫化物。將含納米TiO2的涂料涂在建筑物外表面，其光催化作用可以將這些氣體氧化成蒸氣壓低的硝酸和硫酸，伴隨著降雨過程而除去，從而達到降低大氣污染的目的。

納米TiO2光催化技術在清除揮發(fā)性有機物上具有獨到之處，能將許多難于用其他方法降解的污染物最終達到無機化，一般生成二氧化碳和水，以及相應的化合物。例如在紫外線照射下通過室內噴涂吸附能力強的銳鈦型納米TiO2涂層可以分解裝修過的房間存在的大量游離甲醛、苯系物、酮類等有機揮發(fā)物，吸煙產生的乙醛、家庭灰塵產生的硫醇等有機異臭，還可分解油份和有機的表面污染。當在納米TiO2光催化劑摻雜金屬離子能改變晶格結構，可使其在可見光照射下也能發(fā)揮作用。采用溶膠—凝膠法制得含F(xiàn)e3+的納米TiO2光催化劑，以活性炭為載體，在波長254nm的紫外光下對甲醛進行吸附和光催化氧化，甚至可以達到97%以上的凈化效率。納米TiO2光催化劑具有很強的殺菌能力，對大腸桿菌、綠膿桿菌、葡萄球菌、化膿菌等具有很強的殺滅能力，其超強的氧化能力可破壞細胞的細胞膜使細胞組分流失造成細菌死亡。

三、提高納米二氧化鈦的光催化活性

納米二氧化鈦的光催化性也存在一些不足，如化學反應速度慢，催化效率低等。為了更好的利用其光催化性，可以從以下幾個方面進行改善：（1）加氧化劑。

常用氧化劑有O2、H2O等，當反應體系中加入氧化劑后，催化劑表面的電子被氧化劑俘獲，降低了空穴與電子復合幾率。（2）控制晶型。二氧化鈦催化劑有3種晶態(tài)，其中銳鈦礦型和金紅石型具有催化作用。其中銳鈦型的催化活性比較高。研究發(fā)現(xiàn)混晶催化劑的活性比單純的銳鈦礦催化劑更好，原因是銳鈦礦型晶體的表面生長成薄的金紅石型結晶層，能有效地促進銳鈦礦型晶體中電子與空穴的電荷的分離。因此考慮研究晶型的混合是提高納米二氧化鈦活性的一個方向。（3）摻雜金屬離子。

納米TiO2中摻雜不同價態(tài)的金屬離子后，半導體催化性質可以被提高。從化學觀點看，金屬離子對電子的爭奪，減少了TiO2表面光生電子和光生空穴的復合，從而使TiO2表面產生更多的，提高了催化劑的活性。但實際上只有少數(shù)過渡金屬離子能阻礙電子空穴的復合，具有一定的選擇性有些金屬離子摻入反而會降低光催化活性。

（4）納米二氧化鈦與其他半導體化合物復合。

不同的半導體的禁帶寬度不同，將不同的半導體進行復合造成能級交錯，可以有效地擴大其對太陽光中可見光部分的吸收。因此近幾年來，二元半導體復合在光催化方面的應用得到了普遍的研究，已研制出大量的光催化性能優(yōu)良的復合半導體材料。

（5）表面貴金屬沉積法。

半導體表面貴金屬沉積被認為是一種可以捕獲激發(fā)電子的有效改性方法。在目前研究中，Pt、Pd、Ag、Au、Ru等是較常用的惰性金屬，其中Pt最為常用。在催化劑表面擔載Pt等貴金屬相當于在TiO2的表面構成一個以TiO2及惰性金屬為電極的短路微電池，TiO2電極所產生的h+將液相中的有機物氧化。而e-則流向金屬電極，將液相中氧化態(tài)組分還原，從而降低e-和h+的復合率，提高了催化劑的反應活性。

綜上所述，納米TiO2作為一種新型光催化材料，具有催化活性高、化學穩(wěn)定性好、價格低廉、使用安全及制備的薄膜透明等特點，在處理環(huán)境污染問題上具有廣闊的應用前景。

第四篇：碳納米材料的性能及應用作業(yè).

碳納米材料的性能及應用 Z09016114 蔡排枝

摘要:納米材料被譽為21世紀的重要材料,而作為新型納米材料的碳納米材料因其本身所擁有的潛在優(yōu)越性,在化學、物理學及材料學領域具有廣闊的應用前景。本文依據(jù)目前碳納米材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了碳納米材料碳60、碳納米管及石墨烯的結構性能,并對其應用特性進行了初步探討和分析。

一.引言

碳納米材料是指材料微觀結構在0-3維內其長度不超過100nm;由碳原子組成,材料中至少有一維處于納米尺度范圍0-100nm;具有納米結構。它有四種基本類型:a.納米粒子原子團如C 60(零維 b.碳納米纖維和碳納米管(1維 c.碳納米層或膜材料石墨烯(2維 d.塊體納米材料如金剛石(3維。

由于碳納米材料的獨特結構,使其具有不同于常規(guī)材料和單個分子的性質如量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應等,從而導致了碳納米材料的力學性能、電磁性能、光學性能、熱學性能等的改變,并使之在電子學、光學、化工陶瓷、生物、醫(yī)藥、日化諸多方面有重要價值,得到廣泛的應用。由于石墨,金剛石并不是常用的碳納米材料。

碳納米材料中,目前應用最成熟的就是碳納米管。碳納米管是一種具有獨特結構的一維量子材料,由石碳原子層卷曲而成,管直徑一般為幾納米到幾十納米,管厚度僅為幾納米,長度可達數(shù)微米。由于擁有潛在的優(yōu)越能,碳納米管無論在物理、化學還是在材料科學領域都將有大發(fā)展前景。比如在材料科學領域,碳納米管的長度是直的幾千倍,被稱為“超級纖維”,其性質隨直徑和螺旋角的同有明顯變化。近年來,美國、日本、德國和中國等國家相成立了納米材料研究機構,使碳納米管的研究進展隨之加快并在制備及應用方面取得了突破性進展。

二.碳納米材料的性能

2.1 C60的主要性質及應用

C60具有缺電子烯的性質,同時它又兼?zhèn)浣o電子能力,六元環(huán)間的6:6雙鍵為反應的活性部位,可發(fā)生諸如氫化、鹵化、氧化還原、環(huán)加成、光化與催化及自由基加成等多種化學反應,并可參與配合作用。C60在超導、磁性、光學、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,對它的研究已廣泛開展。

(1超導體

超導現(xiàn)象是大約10年前第一次在一種電子攙雜的富勒烯C60中發(fā)現(xiàn)的。C60分子本身是不導電的絕緣體,但當堿金屬嵌人C60分子之間的空隙后,C60與堿金屬的系列化合物將轉變?yōu)槌瑢w如K3C60即為超導體,且具有很高的超導臨界溫度。

(2光學特性

由于C60分子中存在的三維高度非定域(電子共軛結構使得它具有良好的光學及非線性光學性能。C60光激發(fā)后很容易形成電子一空穴對從而產生光電子轉移,C60還具有較大的非線性光學系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點,可以預計C60將是很好的光電導材料、新型非線性光學材料,有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應用。

(3功能材料的制備

由于C60特殊籠形結構及功能,將C60作為新型功能基團引入高分子體系,得到具有優(yōu)異導電、光學性質的新型功能高分子材料。將富勒烯豐富的電子和電化學性質與富電子的過渡金屬配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂鐵等電活性物種結合可用于新型分子電子器件的制備。華中科技大學劉曉國等人將納米富勒烯與丙烯酸(酯單體在引發(fā)劑作用下共聚,用該聚和物與有機胺中和成鹽使其水性化,制得水溶性納米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,發(fā)現(xiàn)富勒烯對丙烯酸(酯聚和物具有獨特的成膜改性功能。

(4新型催化劑

C60分子的電子親和力較高(2.6—2.8 ev易于通過分子內或分子間的電子授受作用而發(fā)生氧化還原反應, 因此多數(shù)富勒烯或其衍生物的金屬配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常溫下催化苯乙炔的氫化, C60Pt(H h32、C60Pm對端烯烴的硅氫加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人報道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并證明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的關鍵是有效抑制的活性。Nakajima等人將他們合成的帶聚乙二醇的C60~t 生物與 HelaS3 細胞共同培養(yǎng)并用光照射,結果呈現(xiàn)細胞毒性。

2.2 碳納米管的結構性能及應用

由碳原子形成的石墨烯片層圍成的一種管狀結構,而且它們的直徑很小,基本都在納米尺度,所以稱其為納米碳管。在理想情況下,僅僅包含一層石墨烯的納米碳管稱為單壁納米碳管。包含兩層以上石墨烯片層的納米碳管稱為多壁納米碳管,片層之間的距離為0.34-0.36nm。

碳納米管是指由類似石墨的六邊形網(wǎng)格組成的管狀物,可以看作是石墨片層繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由單層或多層組成,相應的納米碳管就稱為單壁納米碳管(SWNT和多壁納米碳管(MWNT。碳納米管的直徑在幾微米到幾十納米之間,長度可達數(shù)微米,因此有較大的管徑比。資料表明:碳納米管的晶體結構為密排六方(hcp , a = 0.24568nm, c = 0.6852nm, c / a = 2.786,與石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,預示著同一層碳管內原子間有更強的鍵合力,碳納米管有極高的同軸向強度。多壁碳納米管存在三種類型的結構,分別稱為單臂納米管、鋸齒形納米管和手性納米管。

碳納米管具有很高的楊氏模量和抗拉強度,楊氏模量估計可高達5TPa;同時碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟。碳納米管的導電性與本身的直徑和螺旋度有

關,隨著這些參數(shù)的變化可表現(xiàn)出導體或半導體性質.碳納米管管壁在生長過程中有時會出現(xiàn)五邊形和七邊形缺陷,使其局部區(qū)域呈現(xiàn)異質結特性.不同拓撲結構的碳納米管連接在一起會出現(xiàn)非線性結效應,有近乎理想的整流效應.在室溫條件下,碳納米管能夠吸收較窄頻譜的光波,能以新的頻譜發(fā)射光波,還能發(fā)射與原來頻譜完全相同的光波。可以有以下的應用。

(1納米電子學方面

作為典型的一維量子輸運材料,用金屬性單層碳納米管制成的三極管在低溫下表現(xiàn)出典型的庫侖阻塞和量子電導效應.碳納米管既可作為最細的導線被用在納米電子學器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳納米管還可用作掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡的探針。碳納米管還為合成其它一維納米材料的控制生長提供了一種模板或框架,碳納米管在高溫下非常穩(wěn)定,利用碳納米管的限制反應可制備其它材料的一維納米結構.這一方法用于制備多種金屬碳化物一維納米晶體和制備氮化物的一維納米材料。在硅襯底上生長碳納米管陣列的工藝與現(xiàn)行的微電子器件的制備工藝完全兼容,這就為碳納米管器件與硅器件的集成提供了可能。美國IBM公司于2001年用單分子碳納米管成功制成了當時世界上最小的邏輯電路。美國IBM 于2002年成功開發(fā)出了當時最高性能的碳納米管晶體管,比當時用硅制成的最先進的晶體管的速度還要快.(2信息科學方面

碳納米管可制作碳納米管場致發(fā)射顯示器碳納米管的頂端很細,有利于電子的發(fā)射,它可用做電子發(fā)射源,推動場發(fā)射平面顯示發(fā)展.實驗證明在硅襯底上可生長規(guī)則的碳納米管陣列,采用蒸發(fā)和掩膜技術在硅表面形成鐵的薄膜微觀圖形,利用乙烯做反應氣體,在適當?shù)姆磻獥l件下,碳納米管可垂直于襯底表面生長,形成規(guī)則的陣列,陣列的形狀由襯底上鐵膜的微觀圖形決定.這種碳納米管陣列的一個可能的直接應用是場發(fā)射平面顯示.西安交通大學朱長純教授領導的研究小組采用新的技術,引導碳納米管有序、定向地生長在導電的硅片襯底上引,并且進一步研制出功能完備的場發(fā)射像素管0訓,由于其純度高、有序性好,場發(fā)射性能也大為提高。和傳統(tǒng)顯示

器比,這種顯示器不僅體積小,重量輕,大大省電,顯示質量好,而且響應時間僅為幾微秒,從零下45℃到零上85℃都能正常工作.(3能源方面

由于碳納米管具有獨特的納米級尺寸和空心結構,有較大的比表面積,比常用的吸附劑活性炭有更大的氫氣吸附能力,非常適合作為儲氫的材料.碳納米管在儲氫率方面有明顯的優(yōu)勢,加之碳材料的價格低廉,化學性能穩(wěn)定,密度較小,CNT 儲氫的應用前景很好。中科院金屬研究所青年研究員成會明博士研究小組, 在單壁納米碳管的儲氫研究方面取得顯著成果,他們采用等離子體氫電弧法半連續(xù)大量制備出高質量單壁納米碳管,其純度高,納米碳管的直徑較粗.在室溫下獲得優(yōu)異儲氫性能,儲氫量達4Wt%以上,其中約四分之三的儲量可在室溫和常壓下放出.(4材料方面應用

碳納米管的強度約比鋼高100多倍,而比重卻只有鋼的1/6;同時碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟。它被認為是未來的“超級纖維”,是復合材料中極好的加強材料。目前已經(jīng)用于納米結構復合材料和混凝土的強化.對碳納米管可控制生長技術、表征技術和應用的深入研究將會促進納米科學和技術的發(fā)展,有助于發(fā)現(xiàn)新的效應,發(fā)展新的器件,以至于形成新的產業(yè)。

(5制備納米材料的模板

一維納米中空孔道賦予了納米碳管獨特的吸附、儲氣和浸潤特性。根據(jù)理論計算,中空的納米碳管具有毛細作用,納米碳管為模板制備其它納米線的研究工作。以納米碳管為基礎,利用它的中空結構和毛細作用可制備其它納米結構。對納米碳管進行B、N等元素摻雜已獲得了一系列新型納米管。以納米碳管為母體,通過氣相反應方法可以制備出SiC、GeO2、GaN等多種納米棒以及各種金屬的

納米線。這些新的一維納米材料的出現(xiàn),必將對納米材料的研究和發(fā)展產生積極的影響。

(6催化劑載體

納米材料比表面積大,具有特殊的電子效應和表面效應。如氣體通過納米碳管的擴散速度為常規(guī)催化劑顆粒的上千倍,擔載上催化劑后可極大地提高催化劑的活性和選擇性,使其在加氫、脫氫和擇型催化等反應中具有很大的應用潛力。

(7復合材料增強相

碳納米管還有非凡的力學性質。理論計算表明,碳納米管應具有極高的強度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間距短、單層碳納米管的管徑小,使得結構中的缺陷不易存在,因此單層碳納米管的楊氏模量據(jù)估計可高達5太帕,其強度約為鋼的100倍,而密度卻只有鋼的1/6。因此,碳納米管被認為是強化相的終級形式,人們估計碳納米管在復合材料中的應用前景將十分廣闊。

(8納米器件

納米碳管的電學性質與其結構密切相關。就其導電性而言,由于納米碳管直徑和螺旋角不同,可以是金屬性的,也可以是半導體性的,甚至在同一根納米碳管上的不同部位,由于結構的變化,也可以呈現(xiàn)出不同的導電性。納米碳管中存在大量未成對電子,但其在納米碳管中的徑向運動卻受到限制,表現(xiàn)出典型的量子限域效應;而電子在軸向的運動不受任何限制。因此,可以認為納米碳管是一維量子導線。利用催化熱解法成功地制備了納米碳管-硅納米線,測試表明,這種金屬-半導體異質結具有二極管的整流作用。當一個金屬性單層納米碳管與一個半導體性單層納米碳管同軸套構而形成一個雙層納米碳管時,兩個單層管仍分別保持原來的金屬性和半導體性,利用這一特性可制造具有同軸結構的金屬-半導體器件。

納米碳管的電學性能和所處氣氛有關,在不同氣體氣氛下,其電阻會發(fā)生改變,根據(jù)這一現(xiàn)象有可能把納米碳管用作體積很小而靈敏度極高的化學傳感器。納米碳管具有優(yōu)異的場發(fā)射性能,而且在空氣中穩(wěn)定同時具有較低工作電壓和大的發(fā)射電流等優(yōu)點,直徑細小的納米碳管可以用來制作極細的電子槍,在室溫及低于80伏的偏置

電壓下,即可獲得0.1~1微安的發(fā)射電流。有望在新一代冷陰極平面顯示器中得到應用。

2.3 石墨烯的主要性質及應用

石墨烯除了有特殊的結構外,還具有一系列獨特的性質。最顯著的是它的導熱性和機械強度。石墨烯本身就是一個良好的導熱體,可以很快地散發(fā)熱量,而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力,所產生的熱量也非常少;而它的強度可以和碳納米管相媲美,理想強度可達110--130 GPa[6j。理想的單層石墨烯具有超大的比表面積(2 630m2/g17j,是很有潛力的儲能材料;同時石墨烯又是一種非常優(yōu)異的半導體材料,具有比硅高很多的載流子遷移率(2×105cm2/V,因為即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級。石墨烯還是目前已知在常溫下導電性能最優(yōu)秀的材料,電子在其中的運動速度遠遠超過了一般導體,達到了光速的1/300;這一特性使其在納電子元件、傳感器、晶體管及電池中有著巨大的應用前

景。石墨烯還具有良好的透光性,是傳統(tǒng) IT0 膜潛在替代產品。石墨烯可應用在以下方面。

(1鋰離子電池中的應用

石墨烯作為電池電極材料以提高電池效率有著誘人的應用前景。單層或者多層石墨烯在鋰離子電池里的應用潛力引起了各國學者的極大關注。Yoo 等人對應用于鋰離子二次電池負極材料中石罷烯的性能進行了研究,發(fā)現(xiàn)其比容量可以達到540 mAh/g。如果在其中摻入C60 和碳納米管后,負極的比容量分別可達784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha等人通過理論計算討論了石墨烯的儲鋰機理。

(2計算機芯片材料中的應用

馬里蘭大學物理學家的研究表明,未來的計算機芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有遠高于硅的載流子遷移率,并且從理論上說,它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等.因此其 n 型場效應晶體管和 P 型場效應晶體管是對稱的,因為其還具有零禁帶特性,即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為

微米級,所以它是一種性能非常優(yōu)異的半導體材料.專家指出硅基芯片在室溫條件下的速度是有限的,很難再大幅提高;而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力,所產生的熱量也非常少,且石墨烯本身就是一個良好的導熱體,可以很快地散發(fā)熱量,由石墨烯制造的集成電路運行的速度將要快得多.據(jù)估計用石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到lT(1012Hz ,即比現(xiàn)在常見的 1G(109的計算機快1000 倍.(3減少納米元件噪聲領域的應用

普通的納米元件隨著尺寸越來越小,電噪聲(電荷在材料中反彈導致各種各樣的干涉,會變得越來越大,這種關系被稱為“豪格規(guī)則 Hogue’Slaw”.因此,如何減小噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關鍵問題之一。美國蚴司[25-27J宣布,通過一層疊加在另一層上面的雙層石墨烯來構建晶體管時,發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的噪聲。雖然這離其商品化生產還甚遙遠,還有不少難題要克服,但降低噪聲是石墨烯晶體管研制過程中邁出的重要一步。

三、總結

隨著研究的不斷深入,碳納米材料的優(yōu)異性能和潛在價值被逐步發(fā)掘出來,而其在復合材料、納米器件、儲氫材料,量子計算機以及超靈敏傳感器等領域也受到了越來越多的關注。當前碳納米材料的研究還主要集中在基礎研究方面,如何大規(guī)模制備碳納米材料如碳納米管,石墨烯人是未來的一個研究重點。相信在不遠的將來,碳納米材料會給人類的生活,生產實踐帶來巨大的變化。

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第五篇：納米材料的應用

納米材料的應用

納米是英文namometer的譯音，是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當于45個原子排列起來的長度。通俗一點說，相當于萬分之一頭發(fā)絲粗細。就象毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，并沒有物理內涵。當物質到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教臁⑿滦蛙娛卵b備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術。新產品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。

近年來，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。1988年法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，到1997年巨磁電阻為原理的納米結構器件已在美國問世，在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭將有重要的應用前景。最近美國柯達公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預計將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產業(yè)和產品注入新的高科技含量，在未來市場上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應用研究也使人矚目，正是這些研究使美國白宮認識到納米材料和技術將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術領域是知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的源泉，新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎科學提供了新的機遇，美國計劃在這個領域的基礎研究獨占“老大”的地位。我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學”列入國家攀登項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織了8項重大、重點項目，組織相關的科技人員分別在納米材料各個分支領域開展工作，國家自然科學基金委員會還資助了20多項課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關高科技創(chuàng)新的課題進行立項研究。1996年以后，納米材料的應用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國納米材料的研究進入了以基礎研究帶動應用研究的新局面。目前，我國有60多個研究小組，有600多人從事納米材料的基礎和應用研究，其中，承擔國家重大基礎研究項目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學。中國科學院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學、中國科學院化學研究所、清華大學，還有吉林大學、東北大學、西安交通大學、天津大學、青島化工學院、華東師范大學，華東理工大學、浙江大學、中科院大連化學物理研究所、長春應用化學研究所、長春物理研究所、感光化學研究所等也相繼開展了納米材料的基礎研究和應用研究。我國納米材料基礎研究在過去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應的設備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合微粒和粉體的制取等各個方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進展，成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；

近年來，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關注。根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，我國建立和發(fā)展了制備納米結構（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、mcm－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內延生長等也積累了豐富的經(jīng)驗，已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進一步研究納米結構和準一納米材料的物性，推進它們在納米結構器件的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價手段基本齊全，達到了國際90年代末的先進水平。綜上所述，“八五”期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果，形成了一支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占有一席之地，應用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎。10年來，我國科技工作者在國內外學術刊物上共發(fā)表納米材料和納米結構的論文2400多篇，在國際上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國際第四屆納米材料會議上，對中國納米材料研究給予了很高評價，指出這幾年來中國在納米材料制備方面取得了激動人心的成果，在大會總結中選擇了8個納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進行介紹，中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進行了大會發(fā)言。