淺談納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

1、淺談納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用班級：xxx 姓名：xxx 學(xué)號：xxx摘要：目前納米材料在我國化工業(yè)的應(yīng)用尚處于起步階段，但應(yīng)用前景誘人。隨著納米技術(shù)的進步，納米材料無疑將會成為21世紀(jì)極具發(fā)展前途的材料，并將在今后的化工業(yè)中得到更為廣泛的應(yīng)用。通過對納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的研究，揭示出納米材料在催化、涂料、精細化工、醫(yī)藥等領(lǐng)域中的重要作用。關(guān)鍵詞：納米材料 催化劑 涂料 精細化工0.前言納米材料(又稱超細微粒、超細粉末)是處在原子簇和宏觀物體交 界過渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料，也不同于單個的原子。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，擁有

2、一系列新穎的物理和化學(xué)特性，在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價值。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)家的濃厚興趣。8O年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來新的機遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨特魅力。120世紀(jì)90年代初“納米材料科學(xué)”被列入國家重點項目。國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院、國家教委分別組織了8項重大、重點項目，組織相關(guān)的科

3、技人員分別在納米材料各個分支領(lǐng)域開展工作，國家自然科學(xué)基金委員會還資助了約30多項課題。國家“863”新材料主題也對納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進行立項研究。近年來納米材料成為社會熱點，納米材料的應(yīng)用研究蓬勃發(fā)展，如火如荼，一些地方政府和部分企業(yè)家也紛紛介入，使我國納米材料的研究進入了以基礎(chǔ)研究帶動應(yīng)用研究的新局面。21在催化方面的應(yīng)用3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)驗進行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費。使經(jīng)濟效益難以提高。而且對環(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

4、必要條件。納米粒于作催化劑?？纱蟠筇岣叻磻?yīng)效率?？刂品磻?yīng)速度，甚至使原來不能進行的反應(yīng)也能進行。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。特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離。分別遷移到粒子表面的不同位最，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應(yīng)。光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原。有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應(yīng)。水凈化處理。水煤氣變換等，

5、其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，是制備負(fù)載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質(zhì)，制得了催化活性較高的TiO2SiO2負(fù)載型光催化劑。Ni或CuZn化合物的納米顆粒。對某些有機化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑，用納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從6OO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)用帶來革命性的變革。2在涂料方面的應(yīng)用納米材料由

6、于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性。具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇。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，實現(xiàn)功能的飛躍。使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì) 和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層。耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層。導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學(xué)涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂

7、層等。4在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(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)用可起到殺菌保納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性。具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。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，實現(xiàn)功能的飛躍。使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層。耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層。導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學(xué)涂

8、層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。52.1納米二氧化硅在涂料中的應(yīng)用納米SiO2，是無定型白色粉末(指其團聚體)，表面存在不飽和的殘鍵及不同合狀態(tài)的羥基，其分子狀態(tài)呈三維鏈狀結(jié)構(gòu)。一般來說，納米粒子表面相互聚集的氫鍵之間的作用力不強，以剪切力加以分開。然而，這些氫鍵會在外部剪切力除后迅速復(fù)原，使其結(jié)構(gòu)迅速重組。這種依賴時間與、力作用而回復(fù)原狀的剪切力弱化反應(yīng)，稱為“觸變性”。觸變性是納米二氧化硅改善傳統(tǒng)涂料各項性能的主要因素。在建筑內(nèi)外墻涂料中，添加納米二氧化硅，以明顯改善涂料的開罐效果，涂料不分層，具有觸變，防流掛，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有優(yōu)良的自清潔性能和附著力，有報

9、道稱耐擦洗達10000次以上。經(jīng)分光光度儀測試表明，納二氧化硅具有極強的紫外吸收、紅外反射特性，對波400nm以的紫外光吸收率達70以上，對波長400nm以內(nèi)的紅外光反射率也達70以上。它添加在料中，能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和熱化的目的，同時增加涂料的隔熱性。62.2納米碳酸鈣在涂料中的應(yīng)用納米碳酸鈣作為一種優(yōu)良的填充劑白色顏料，具有價格便宜、資源豐富、色澤好、品E高的特點，廣泛應(yīng)用于紙張、塑料填料和涂布顏料。而納米碳酸鈣自問世以來，由于其具有的優(yōu)良特性，賦予了產(chǎn)品某些特殊性能，如補強性、透明性、觸變性和流平性等。是一種新型高檔功能性填充材料，在涂料中的應(yīng)用研究表明，納米碳酸鈣填充

10、涂料，其柔韌性、硬度、流平性及光澤均有較大幅度提高。利用其存在的“藍移”現(xiàn)象，將其添加到膠乳中，也能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和防熱老化的目的，增加了涂料的隔熱性。72.3納米氧化鋅在涂料中的應(yīng)用應(yīng)用納米氧化鋅是一種面向21世紀(jì)的新型高功能精細無機產(chǎn)品，其粒徑介于1100nm，又稱為超微細氧化鋅。納米氧化鋅在磁、光、電、敏感等方面具有一般氧化鋅產(chǎn)品無法比擬的特殊性能和新用途，其中在涂料方面的應(yīng)用主要有：一、新型防曬劑和抗菌劑。因為它們無毒、無味、對皮膚無刺激性，不分解、不變質(zhì)、熱穩(wěn)定性好，且納米氧化鋅本身為白色，可以簡單地加以著色，價格便宜，吸收紫外線能力強，對UVA(長波320400

11、nm)和UVB(中波280320nm)均有屏蔽作用。二、吸波材料的研究在國防上具有重大的意義，這種“隱身材料”的發(fā)展和應(yīng)用是提高武器系統(tǒng)生存和突防能力的有效手段，納米微粉是一種非常有發(fā)展前途的新型軍用雷達波吸收劑。納米氧化鋅等金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優(yōu)點而成為吸波涂層研究的熱點之一。82.4納米二氧化鈦在涂料中的應(yīng)用含納米二氧化鈦的光催化凈化涂料，具有使用方便、光催化效率高、光催化劑可迅速再生的特點，同時還可降解大氣中的其他污染物，如鹵代烴、硫化物、醛類、多環(huán)芳烴等，作為環(huán)保型涂料有著潛在的應(yīng)用前景。試驗表明，鍍有納米二氧化鈦薄膜的表面具有高度的自清潔效應(yīng)，一旦這些表

12、面被油污等污染，因其表面具有超親水性，污物不易在其表面附著，而附著的污物也會因光催化作用而分解。陽光中的紫外線是以能維持納米二氧化鈦薄膜表面的親水特性，從而使其表面具有長期防污自潔的效應(yīng)。將其應(yīng)用于玻璃，陶瓷等建材，以及高層建筑物的外墻及頂棚，利用太陽光熒光燈中含有的紫外光作激發(fā)源，可以分解油、塵埃和砂粒，分解后的污垢物經(jīng)雨水沖刷可除掉，這樣不僅有利于美化環(huán)境，也可減少因清潔帶來的不便和不安全因素。9日本已經(jīng)開發(fā)出了用納米二氧化鈦被覆的抗菌陶瓷品，其制造工藝是先將納米二氧化鈦加水制成漿料，涂在陶瓷磚表面，經(jīng)高溫鍛燒即得到1C121厚具有殺菌性能的納米二氧化鈦薄膜產(chǎn)品。該產(chǎn)品在光照射下能完全殺死

13、表面細菌；若要使其在微弱光下亦有抗菌性能，可在納米二氧化鈦漿料中添加銀、銅離子化合物。103在精細化工方面的應(yīng)用納米材料在橡膠、塑料、涂料等精細化工領(lǐng)域，都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡皎的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的 耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑 作填料的橡皎。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相 應(yīng)提高。國外已將納米SiO2，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面 也都有很好的應(yīng)用。在有機

14、玻璃中加入經(jīng)過表面修 飾處理的SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質(zhì)地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2，能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。114在醫(yī)藥方面的應(yīng)用21世紀(jì)的健康科學(xué)，將以出人意料的速度向前發(fā)展，人們對藥

15、物的需求越來越高?？刂扑幬镝尫?、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。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人人體，可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織；使用納米技術(shù)的新型診斷儀器，只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病，美國麻省理工學(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?。該技術(shù)是在磁性納米微粒包覆蛋白質(zhì)表面攜帶藥物，注射到人體血管中，通過磁場導(dǎo)航輸送到病變部位，然后釋放藥物。納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流動，因此可以用來檢查和治療身體各部位的病變。對納米微粒的臨床醫(yī)療以及放射性治療

16、等方面的應(yīng)用也進行了大量的研究工作。12據(jù)人民日報報道，我國將納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功。南京?？萍瘓F利用納米銀技術(shù)研制生產(chǎn)出醫(yī)用敷料長效廣譜抗菌棉。這種抗菌棉的生產(chǎn)原理是通過納米技術(shù)將銀制成尺寸在納米級的超細小微粒，然后使之附著在棉織物上。銀具有預(yù)防潰爛和加速傷口愈合的作用，通過納米技術(shù)處理后的銀表面急劇增大，表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，殺菌能力提高200倍左右，對臨床常見的外科感染細菌都有較好的抑制作用。微粒和納粒作為給藥系統(tǒng)，其制備材料的基本性質(zhì)是無毒、穩(wěn)定、有良好的生物性并且與藥物不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。納米系統(tǒng)主要用于毒副作用大、生物半衰期短，易被生物酶降解的藥物的給藥。納米生物學(xué)用來研究在納米尺

17、度上的生物過程，從而根據(jù)生物學(xué)原理發(fā)展分子應(yīng)用工程。在金屬鐵的超細顆粒表面覆蓋一層厚為520nm的聚合物后，可以固定大量蛋白質(zhì)特別是酶，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，可以獲取細胞內(nèi)的生物信息，從而了解機體狀態(tài)，深化人們對生理及病理的解釋。135納米光催化材料在化工廢水處理中的應(yīng)用工業(yè)廢水占我國廢水排放量的70，在工業(yè)廢水治理中，難度最大的是難生物降解的有機工業(yè)廢水。ABS廢水屬于難降解有機石化廢水，對其處理目前多采用絮凝一氣浮法，但是不能達標(biāo)排放。尋找高效、低成本的水質(zhì)處理方法，是水處理工作者面臨的一項重要的任務(wù)。

18、納米顆粒由于具有極小的尺寸(粒徑1100nm)而具備常規(guī)顆粒所不具備的新效應(yīng)：小尺寸效應(yīng)(又稱體積效應(yīng))、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)3J。這些新效應(yīng)，尤其是其中的量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，使納米顆粒能有效地處理其他處理方法不能處理的難降解有機物。目前，光催化氧化技術(shù)已成功地應(yīng)用于對印染廢水的處理，對造紙廢水、電鍍廢水的處理在實室也展開了廣泛研究。145.1化工廢水的處理大量研究結(jié)果表明：納米可光催化氧化水中的80余種有機污染物及氯代有機物，除硝基苯和四氯化碳降解緩慢外，其他物質(zhì)都能迅速降解。英國倫敦安大略核子技術(shù)環(huán)境公司開發(fā)的利用人工采光和納米TiO2的常溫催化技術(shù)，能將工業(yè)廢水中

19、的多氯聯(lián)苯類物質(zhì)分解為CO2和水。中科院利用太陽光和納米TiO2粉末對十二烷基苯磺酸鈉水溶液進行處理，結(jié)果表明，在多云條件下的日光照射12h后。濃度為1molL的十二烷基苯磺酸鈉水溶液幾乎完全降解。155.2制革廢水的處理史亞君以納米TiO2，光催化處理用直接凍黃和表面活性劑配制的模擬制革廢水，試驗結(jié)果表明：在初始COD質(zhì)量濃度為144.67mgL、初始pH值為6、光照6h、催化助劑FeCI加入量為3.36mgL、納米TiO2加入量100mgL的工藝條件下，納米TiO2能成功降解廢水中的直接凍黃有機染料。采用此工藝條件處理實際制革廢水，處理后出水的COD和色度去除率分別達到65.0和91.4，

20、且可生化性也大大提高。165.3無機廢水的處理廢水中的cr6+具有較強的致癌作用。付宏祥等發(fā)現(xiàn)，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。國外有人用TiO2作為催化劑處理含氰廢水時，CN一最終被氧化為CO2、N2和NH3用TiO2為催化劑處理含Au(CN)4-廢水，在還原出Au的同時，也使CN一氧化生成NH3和CO2。納米TiO2，還可將S2-氧化成單質(zhì)S，將Pb2-和Mn2+等氧化成高氧化態(tài)金屬氧化物而沉淀出來。176結(jié)語納米科學(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)

21、、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時代，為此，國家科委、中科院將納米技術(shù)定位為“2l世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個領(lǐng)域，在機械、電予、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，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。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)計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(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)濟新增長點的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科

22、學(xué)領(lǐng)域一個大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個領(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，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應(yīng)用。18參考文獻1溫德英.淺談納米材料和技術(shù)的應(yīng)用J.裝備制造技術(shù)，2008，7，179-1802于兵川，吳洪特，張萬忠.光催化納米材料在環(huán)境保護中的應(yīng)用J.石油化工，2005，34(5)：4914953劉華，翟江.納米材料在化工生產(chǎn)領(lǐng)域中的應(yīng)用J.濰坊教育學(xué)院學(xué)報,2007,20(3):37-38 4姚煥英.納米材料及其在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用J.陜西環(huán)境，2002，9(4)：27295朱曉兵，周集體，邱介山等.納米材料在水處理中的應(yīng)用研究J.工業(yè)水處理，2004，24(4)：596梁奇峰，曾育才