納米功能材料學(xué)習(xí)教案

1、納米納米(n m)功能材料功能材料第一頁，共14頁。 納米技術(shù)具有極大的理論和應(yīng)用價值，納米材料被譽為納米技術(shù)具有極大的理論和應(yīng)用價值，納米材料被譽為“21“21世紀(jì)最有前途的材料世紀(jì)最有前途的材料”。納米技術(shù)研究在。納米技術(shù)研究在0.1100nm0.1100nm尺度尺度范圍范圍(fnwi)(fnwi)內(nèi)物質(zhì)具有的特殊性能及其應(yīng)用。廣義的納米材內(nèi)物質(zhì)具有的特殊性能及其應(yīng)用。廣義的納米材料是指在三維空間中，至少有一維達(dá)到納米尺度范圍料是指在三維空間中，至少有一維達(dá)到納米尺度范圍(fnwi)(fnwi)，或以其為基本單位所構(gòu)成的材料。納米材料具有輻射、吸收、或以其為基本單位所構(gòu)成的材料。納米材料具

2、有輻射、吸收、殺菌、吸附等特性，眾多研究表明這些新特性將在環(huán)境保護領(lǐng)殺菌、吸附等特性，眾多研究表明這些新特性將在環(huán)境保護領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。納米材料(n m ci lio)初了解第1頁/共14頁第二頁，共14頁。納米技術(shù)在治理納米技術(shù)在治理(zhl)有害氣體方面的應(yīng)用有害氣體方面的應(yīng)用 1.有害氣體的來源有害氣體的來源 空氣中超標(biāo)的二氧化硫空氣中超標(biāo)的二氧化硫(SO2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)和氮氧化物和氮氧化物（NOC）是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術(shù)的）是影響人類健康的有害氣體，納米材料和納米技術(shù)的應(yīng)用能夠應(yīng)用能夠(nnggu)最終解決產(chǎn)生這些氣體的污染源

3、問題。工最終解決產(chǎn)生這些氣體的污染源問題。工業(yè)生產(chǎn)中使用的汽油、柴油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，業(yè)生產(chǎn)中使用的汽油、柴油以及作為汽車燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃燒時會產(chǎn)生由于含有硫的化合物在燃燒時會產(chǎn)生S02氣體，這是氣體，這是S02的最的最大污染源。大污染源。 2.有害氣體有害氣體(qt)的治理的治理（1）納米鈦酸鈷(CoTi03)是一種非常好的石油脫硫催化劑。以55-70nm的鈦酸鈷半徑作為催化活體多孔硅膠或 A1203陶瓷作為載體的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01，達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。 （2）復(fù)合稀土化物的納米級粉體有極強的氧化還原性能，這是其它任

4、何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染問題。 第2頁/共14頁第三頁，共14頁。作用(zuyng)原理 以活性碳作為載體、納米 Zr0.5 Ce0.5 O2，粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其表面存在Zr4+Zr3+及Ce4+Cr3+，電子可以在其三價和四價離子之間傳遞，因此具有極強的電子得失能力和氧化還原性，再加上納米材料比表面大、空間(kngjin)懸鍵多、吸附能力強，因此它在氧化一氧化碳的同時還原氮氧化物，使它們轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害的氣體-二氧化碳和氮氣。而更新一代的納米催化劑，將在汽車發(fā)動機汽缸里發(fā)揮催化作

5、用，使汽油在燃燒時就不產(chǎn)生CO和NOx，無需進行尾氣凈化處理。 （比較復(fù)雜，大致了解即可）第3頁/共14頁第四頁，共14頁。帶來的效用(xioyng) 1.開發(fā)替代燃料或研究用于控制汽車尾氣對大氣污染材料，對凈化環(huán)境具有重要的意義。用納米復(fù)合材料制備(zhbi)與組裝的汽車尾氣傳感器，通過汽車尾氣排放的監(jiān)控，可及時對超標(biāo)排放進行報警，并通過調(diào)整合適的空燃比，減少富油燃燒，達(dá)到降低有害氣體排放和燃油消耗的目的。納米稀土鈦礦型復(fù)合氧化物對汽車尾氣所排放的NO、CO等具有良好的催化轉(zhuǎn)化作用，可以替代昂貴的重金屬催化劑用作汽車尾氣催化劑。2.用納米Fe2O3作為(zuwi)催化劑，經(jīng)納米材料催化的燃料

6、中硫的含量小于0.01%，不僅節(jié)約了能源，提高能源的綜合利用率，也減少了因為能源消耗所帶來的環(huán)境污染問題，而且使廢氣等有害物質(zhì)再利用成為可能。3.納米TiO2經(jīng)光催化產(chǎn)生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能與細(xì)菌細(xì)胞或細(xì)胞內(nèi)組成成分進行生化反應(yīng)，使細(xì)菌頭單元失活而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，并且使細(xì)菌死亡后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解，即利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物5。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間安放納米TiO2光催化劑可具有殺菌、除臭作用。第4頁/共14頁第五頁，共14頁。納米技術(shù)在污水處理納米技術(shù)在污水處理(w shu ch l)方面的應(yīng)用方面的應(yīng)用 污水

7、中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(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很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用(yngyng)很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費。 1.1.處理無機污染廢水處理無機污染廢水 污水中的重金屬對人體的危害很大，重金屬的流失也是資源的浪費。污水中的重金屬對人體的危害很大，重金屬的流失也是資源的浪費。納米粒子能對水中的重金屬離子通過光電子產(chǎn)生很強的還原納米粒子能對水中的重金屬離子通過光電子產(chǎn)生很強的還原(hun (hu

8、n yun)yun)能力。如納米能力。如納米TiO2TiO2能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附能將高氧化態(tài)汞、銀、鉑等貴重金屬離子吸附于表面，井將其還原于表面，井將其還原(hun yun)(hun yun)為細(xì)小的金屬晶體，既消除了廢水的為細(xì)小的金屬晶體，既消除了廢水的毒性，又回收了貴重金屬。毒性，又回收了貴重金屬。第5頁/共14頁第六頁，共14頁。2.2.處理有機污染廢水處理有機污染廢水 大量研究表明納米大量研究表明納米TiO2TiO2等作為光催化劑，在陽光下催化氧化水中的等作為光催化劑，在陽光下催化氧化水中的有機污染物，使其迅速降解。至今為止己知納米有機污染物，使其迅速降解。至今為止

9、己知納米TiO2TiO2能處理能處理8080余種有毒余種有毒污染物，例如污染物，例如PintarPintar等在間歇式反應(yīng)器中納米等在間歇式反應(yīng)器中納米Ru/TiO2Ru/TiO2作催化劑，對酸性作催化劑，對酸性或堿性牛皮紙漂白廢水進行光催化降解，廢水中的有機總碳或堿性牛皮紙漂白廢水進行光催化降解，廢水中的有機總碳TOCTOC的去除率的去除率可達(dá)到可達(dá)到99.6%99.6%，并使廢水完全脫色。經(jīng)光催化濕空氣氧化處理后的工廠廢，并使廢水完全脫色。經(jīng)光催化濕空氣氧化處理后的工廠廢水對弧菌的毒性水對弧菌的毒性(d xn)(d xn)的實驗表明，用該方法處理后的工廠漂白廢水的實驗表明，用該方法處理后的

10、工廠漂白廢水完全可以進一步生物降解。完全可以進一步生物降解。 3.3.自來水的凈化處理自來水的凈化處理 新型納米級凈水劑新型納米級凈水劑77的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑Al2O3Al2O3的的10201020倍，能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭凈化裝置，有效地除去倍，能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀，然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭凈化裝置，有效地除去(ch q)(ch q)水中的鐵銹、泥沙以及異味等。再經(jīng)過由帶有納米孔徑的處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以水中的鐵銹、泥沙以及異味等。再經(jīng)過由帶有納米孔

11、徑的處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可以100%100%除去除去(ch q)(ch q)水中的細(xì)菌、病毒，得到高質(zhì)量的純凈水。這是因為細(xì)菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時，會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。水中的細(xì)菌、病毒，得到高質(zhì)量的純凈水。這是因為細(xì)菌、病毒的直徑比納米大，在通過納米孔徑的膜和陶瓷小球時，會被過濾掉，水分子及水分子直徑以下的礦物質(zhì)、元素則保留下來。第6頁/共14頁第七頁，共14頁。在其它(qt)環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用 1 1 噪聲控制噪聲控制 飛機、車輛、船舶等發(fā)動機工作的噪聲可達(dá)上百分貝，容易對環(huán)境造成噪聲污染。當(dāng)

12、飛機、車輛、船舶等發(fā)動機工作的噪聲可達(dá)上百分貝，容易對環(huán)境造成噪聲污染。當(dāng)機器設(shè)備等被納米技術(shù)微型化以后，其互相撞擊機器設(shè)備等被納米技術(shù)微型化以后，其互相撞擊(zhungj)(zhungj)、磨擦產(chǎn)生的交變機械作用、磨擦產(chǎn)生的交變機械作用力將大為減少，噪聲污染便可得到有效控制。運用納米技術(shù)開發(fā)的潤滑劑，既能在物體表力將大為減少，噪聲污染便可得到有效控制。運用納米技術(shù)開發(fā)的潤滑劑，既能在物體表面形成永久性的固態(tài)膜，產(chǎn)生極好的潤滑作用，大大降低機器設(shè)備運轉(zhuǎn)時的噪聲，又能延面形成永久性的固態(tài)膜，產(chǎn)生極好的潤滑作用，大大降低機器設(shè)備運轉(zhuǎn)時的噪聲，又能延長設(shè)備的使用壽命。長設(shè)備的使用壽命。2 2 固體廢

13、物處理固體廢物處理 納米技術(shù)及納米材料應(yīng)用于城市固體垃圾處理，主要有兩個方面納米技術(shù)及納米材料應(yīng)用于城市固體垃圾處理，主要有兩個方面(fngmin)(fngmin)：一是可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末，除去其中的異一是可以將橡膠制品、塑料制品、廢印刷電路板等制成超微粉末，除去其中的異物，成為再生原料回收；二是利用納米物，成為再生原料回收；二是利用納米TiO2TiO2催化技術(shù)可以使城市垃圾快速降解，催化技術(shù)可以使城市垃圾快速降解，其速度可達(dá)到大顆粒其速度可達(dá)到大顆粒TiO2TiO2的的1010倍以上，從而緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境帶來的倍以上，從而緩解大量城市垃圾給城市環(huán)境

14、帶來的壓力。壓力。第7頁/共14頁第八頁，共14頁。3 防止電磁輻射防止電磁輻射 近年來電磁場對人體健康的影響問題已經(jīng)成為一個新的研究熱點。近年來電磁場對人體健康的影響問題已經(jīng)成為一個新的研究熱點。在強烈輻射區(qū)工作并需要電磁屏蔽時，通過在墻內(nèi)加入在強烈輻射區(qū)工作并需要電磁屏蔽時，通過在墻內(nèi)加入(jir)納米材納米材料層或涂上納米涂料，能大大提高遮擋電磁波輻射性能。中科院理化料層或涂上納米涂料，能大大提高遮擋電磁波輻射性能。中科院理化所利用納米技術(shù)研究出了新一代手機電磁屏蔽材料，可以實現(xiàn)手機信所利用納米技術(shù)研究出了新一代手機電磁屏蔽材料，可以實現(xiàn)手機信號抗干擾能力，同時大大降低電磁波輻射。號抗干

15、擾能力，同時大大降低電磁波輻射。4.4.照明工程方面的應(yīng)用照明工程方面的應(yīng)用 火力發(fā)電排放的火力發(fā)電排放的CO2CO2、SO2SO2、煙塵懸浮物等會引起溫室效應(yīng)、酸雨和、煙塵懸浮物等會引起溫室效應(yīng)、酸雨和環(huán)境污染，通過照明節(jié)電可以帶來巨大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。在環(huán)境污染，通過照明節(jié)電可以帶來巨大的社會、經(jīng)濟和生態(tài)效益。在照明工程中，最理想的節(jié)電措施是充分利用太陽光來照明，利用一些照明工程中，最理想的節(jié)電措施是充分利用太陽光來照明，利用一些納米材料納米材料(n m ci lio)(n m ci lio)的光致發(fā)光特性是可行的辦法，白晝吸收的光致發(fā)光特性是可行的辦法，白晝吸收自然光并貯存起來，晚

16、上再直接把光射到需要的地方。這從多孔硅光自然光并貯存起來，晚上再直接把光射到需要的地方。這從多孔硅光致發(fā)光現(xiàn)象得到了驗證。致發(fā)光現(xiàn)象得到了驗證。第8頁/共14頁第九頁，共14頁。神奇(shnq)的納米TiO2 由于納米TiO2除了具有(jyu)納米材料的特點外，還具有(jyu)光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。 1 1降解降解(jin ji)(jin ji)空氣中的有害有機物空氣中的有害有機物 光催化劑可以很好地降解甲醛、甲苯等使內(nèi)氣體污染物，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100。其降解機理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機酸。納米TiO2的

17、光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。 2 2降解有機磷農(nóng)物降解有機磷農(nóng)物 以前70年代發(fā)展起來的農(nóng)藥品種占我國農(nóng)藥產(chǎn)量的80，它的生產(chǎn)和使用會造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。 第9頁/共14頁第十頁，共14頁。3.3.催化降解技術(shù)處理毛紡染整廢水催化降解技術(shù)處理毛紡染整廢水 利用納米利用納米TiO2TiO2的催化降解特性，可處理毛紡染整廢水，具有省資、的催化降解特性，可處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點，顯高效、節(jié)能，最終能使有機物完全礦化、不存在二次污染等特點，顯示

18、出良好的應(yīng)用示出良好的應(yīng)用(yngyng)(yngyng)前景。前景。 4 4石油開采運輸石油開采運輸 在石油開采運輸和使用過程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江在石油開采運輸和使用過程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江湖湖(jingh)(jingh)和海洋水面，用納米和海洋水面，用納米TiO2TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題?？梢越到馐停鉀Q海洋的石油污染問題。 5 5垃圾降解垃圾降解 用納米用納米TiO2TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2TiO2的的1010倍以上，從而倍以上，從而(cng r)(c

19、ng r)解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。 第10頁/共14頁第十一頁，共14頁。6除臭 一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集(mj)場所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。 7自潔效應(yīng) 納米TiO2由于其表面(biomin)具有超親水性和超親油性，因此其表面(biomin)具有自清潔效應(yīng)，即其表面(biomin)具有防污、防霧、易洗、易干等特點。如將TiO2玻璃鍍膜置于水蒸氣中，玻璃表面(biomin)會附著水霧，紫外線光照射后，表面(biom