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纳米材料对当代社会发展的影响

纳米材料――21世纪世界发展的主宰

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纳米材料――21世纪世界发展的主宰
中文摘要：近年来，纳米二氧化钛应用非常广泛，研究者也越来越多，其优越的催化性能使其在诸多方面得到应用。Ti02光催化剂在工业和水催化方面应用广泛，且催化效率极高。
纳米TiO2在有机污染物的处理和无机污染物的处理方面迅速发展，纳米TiO2能降解大多数有机物，最终生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。
纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。
关键词：纳米二氧化钛、污染物的处理、汽车尾气净化
正文：
近年来，纳米二氧化钛应用非常广泛，研究者也越来越多，其优越的催化性能使其在诸多方面得到应用。Ti02光催化剂在工业和水催化方面应用广泛，且催化效率极高。
纳米材料是指材料的基本结构单元至少有一维处于纳米尺度范围(一般在1-100 纳米)，并由此具有某些新特性的材料。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100纳米以下。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料应用范围广泛，如：纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米传感器、纳米倾斜功能材料、纳米半导体材料、纳米催化材料、环境保护、医疗上的应用、纳米碳管等等。 其中，纳米催化剂应用相当广泛，而且发展前景一片光明。由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。
Ti02作光催化剂：Ti02是公认的最有效光催化剂，它的显著优点是：能有效吸收太阳光谱中的弱紫外辐射部分；氧化还原性较强；在较大pH值范围内的稳定性强；无毒。但由于Ti02的禁带宽度为3.2eV，只能吸收波长小于387Nm的紫外辐射，不能充分利用太阳能。另外，Ti02的光量子效率也有待进一步提高（仅20%左右）。
近年来纳米TiO2在有机污染物的处理和无机污染物的处理方面迅速发展，由于纳米TiO2利用自身受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，能降解大多数有机物，最终生成无毒无味的CO2、H2O及一些简单的无机物。
就近几年来发表的文献来看，将在光催化机理方面作为目标化合物重点研究的物质主要分为脂肪酸、芳香酸和酚类，按被降解物的用途不同可分为燃料、除草剂、杀表面活性剂。这些物质经过纳米Ti02的光催化作用后，都可以转化为CO2和H2O，完成氧化降解。将纳米光催化材料作成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，便可利用太阳光进行有机物的降解。美国、日本就是利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行处理
纳米材料在无机污染物的处理方面的应用。除有机物外，许多无机物在纳米表面也具有光化学活性，大量试验结果表明，纳米Ti02光催化反应对于工业废水具有很强的处理能力。但值得一提的是，由于光催化反应是基于体系对光能量的吸收，因此要求被处理体系具有良好的透光性。对于高浓度的工业废水，若杂质多、浊度高、透光性差，反应则难以进行。因此该方法在实际废水处理中，适用于后期的深度处理。目前，Ti02光催化的主要应用领域在于降解污染物。近年来，不断有研究根据光催化原理对水体中的污染程度进行评估，或利用光催化作为分析检测的前处理手段对原有分析方法进行改进，Ti02光催化在建立新分析测试方法中的应用研究正在蓬勃发展。
纳米材料在汽车尾气净化中的应用：目前世界汽车保有量6.6亿辆，每年排向大气的有害气体高达7亿多吨。光化学烟雾事件、北京雾霾事件近年来屡见不鲜，随着我国国内经济的迅猛发展，汽车产销量的猛增，今年消耗的汽、柴油总量将超过1.5亿吨，排气污染问题不容忽视。为了消除这一严重的社会公害，美、欧、日等国家和地区相继制定了严格的排放法规，2005年欧盟即将执行欧Ⅳ排放标准。并且采用了各种治理和控制汽车尾气排放的措施，目前，安装汽车尾气净化催化器是治理尾气污染最为有效的方式。随着纳米科学得到迅速的发展，纳米材料的层出不穷，并开始涉及汽车尾气净化行业，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。纳米氧化铝载体在两个方面取得进展，其一是大大提高了耐热性能；其二是增大了氧化铝孔隙度，显著提高了催化剂的抗中毒能力。实验发现:以纳米氧化铝基气凝胶为载体的Pt催化剂在270℃下还原氮氧化物的催化效率比以传统陶瓷为载体的Pt催化剂的催化效率高。这主要是由于用溶胶-凝胶法得到纳米氧化铝基气凝胶作为催化剂载体具有非常大的比表面积的缘故，是催化剂的理想载体。
由于纳米稀土、纳米贱金属和纳米贵金属催化剂均存在着纳米材料在催化方面的优越性，而三种催化剂之间存在的不足有一定的互补性，所以可以将三种催化剂按一定的比例混合，并适当加入少量其它添加剂制成汽车尾气净化催化剂。虽然，现在这方面的报道极少，但可以预见，只要能找到三种纳米催化剂合适的配比及纳米材料添加剂，再解决纳米催化剂成本高、易烧结、稳定性等问题，这类催化剂在不久的将来会主宰汽车尾气催化净化领域。
纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。房屋装修甲醛污染一直以来都被人们关注，装修后的房屋都要放置半年以上才能居住，而纳米材料的优越性能则可以减弱这一危害。纳米涂料曾被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品，展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达99％以上，有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小，能深入墙体，与墙面的硅酸盐类物质配位反应，使其牢牢结合成一体，附着力强，不起皮，不剥落，抗老化。其纳米抗冻性功能涂料，除具备纳米型涂料各种优良性之外，可在－10℃到－25℃之内正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10％以下的规定，使建筑行业施工缩短了工期，提高了功效，又创造出高质量，一举三得，所以备受建筑施工单位的欢迎。
还有镍或铜锌化合物的纳米催化剂对某些有机物的氢化反应也是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600 ℃降低到室温。
纳米材料凭借着其出色的催化性能必将在工业生产、航空航天、交通运输、生产生活等各行各业发挥惊人地效果。在经济迅猛发展的21世纪掌握纳米材料核心技术的国家才能够成为真正的强国。
参考文献：
[1]程萍，顾明元，等.Ti02光催化剂可见光化研究进展。化学进展报，2005－01
[2]徐瑞芬.纳米光催化及安全环保性能研究.中国建材科技报，2002－11－05
[3]唐元洪，裴立宅，赵新琦.纳米材料导论[M].湖南大学出版社，2011,06,01