納米材料在能源環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用-1課件

納米材料在環(huán)保和能源領(lǐng)域的應(yīng)用第七章工業(yè)污染現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展在為人類創(chuàng)造巨大財富的同時給生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染：工業(yè)污染對空氣及水污染治理的關(guān)鍵在于:污染物降解過程本身也是環(huán)保的，即不能產(chǎn)生有害人體和環(huán)境的副產(chǎn)物。納米材料在環(huán)保與能源領(lǐng)域的應(yīng)用實例一種可以用來代替汽車中的金屬構(gòu)件的納米粒子增強(qiáng)型復(fù)合材料。這種納米復(fù)合材料的廣泛使用，可能使汽油的燃燒量每年減少15億kg，二氧化碳的排放量每年減少50億kg。具有小于1nm微孔的結(jié)晶材料的催化劑的使用，形成了一個每年超過300億美元的產(chǎn)業(yè)。納米技術(shù)用于處理污水。具有孔徑在10～100nm范圍的有序間隙多孔材料正在廣泛地應(yīng)用于清除超微細(xì)污染物，還可將污水中的貴金屬金、鈀、鉑等完全提煉出來，變廢為寶。傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)效率低，成本高，又存在二次污染問題。納米材料在環(huán)保與能源領(lǐng)域的應(yīng)用實例用粘土和聚合物的納米粒子替代輪胎中的炭黑，是一項生產(chǎn)環(huán)保型、耐磨損輪胎的新技術(shù)。新型電池、使用人工光合作用的清潔能源、量子阱式太陽能電池、氫燃料的安全貯存等。納米硅、非晶態(tài)硅在光電材料中的應(yīng)用。納米TiO2由于其表面同時具有超親水性和超親油性，因此具有自清潔效應(yīng)，即具有防污、防霧、易洗、易干等特點。如將TiO2鍍膜玻璃置于水蒸氣中，玻璃表面會附著水霧，紫外線光照射后，表面水霧消失，玻璃重又變得透明。在汽車擋風(fēng)玻璃、后視鏡表面鍍上TiO2薄膜，可防止鏡面結(jié)霧。自清潔納米材料的防霧效果：超雙親性界面材料納米材料在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用實例

疏水/疏油雙疏表面的設(shè)計：紅色代表疏水層，綠色代表疏油層衣服纖維紅外屏蔽纖維抗紫外線輻照纖維抑菌除臭纖維納米材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用實例7.1納米光催化材料7.1.1納米粒子的光催化原理

7.1.2納米材料在空氣凈化中的應(yīng)用

7.1.3納米材料在抗菌方面的應(yīng)用

7.1.4納米材料在污水處理中的應(yīng)用

7.1.5納米材料在抗紫外線方面的應(yīng)用

7.1.6納米環(huán)保復(fù)合涂料

是指半導(dǎo)體材料吸收外界輻射能激發(fā)產(chǎn)生導(dǎo)帶電子（e-）和價帶空穴（h+），進(jìn)而與吸附在催化劑表面上的物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)的過程。7.1.1納米粒子的光催化原理這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。什么是半導(dǎo)體材料的光催化？理論上講,只要半導(dǎo)體吸收的光能(hν)不小于其帶隙能,能足以激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴,該半導(dǎo)體就有可能用作光催化劑。晶粒尺寸減小到一定程度后，光能隙藍(lán)移，對應(yīng)于更高的氧化-還原電位，才有更強(qiáng)的氧化-還原能力；晶粒尺寸減小后光生載流子遷移到晶粒表面的時間大大縮短，有效地減少了光生電子和光生空穴的體相復(fù)合。使納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前大部分不會重新結(jié)合，因此電子、空穴到達(dá)表面的數(shù)量多，化學(xué)反應(yīng)活性高。有代表性的光催化劑：TiO2

、ZnO、ZnS、CdS、PbS、Fe2O3、WO3等。為什么納米顆粒的半導(dǎo)體才具有光催化效應(yīng)？為什么納米TiO2是研究中采用最廣泛的光催化劑？光催化過程的7個步驟：（1）由光子形成帶電體；（2）帶電體重新結(jié)合釋放能量；（3）發(fā)生價帶空穴的氧化反應(yīng)；（4）發(fā)生導(dǎo)帶電子引起的還原反應(yīng)；（5）進(jìn)一步的熱和光催化反應(yīng)，產(chǎn)生礦物化產(chǎn)品；（6）在懸掛的表面鍵捕捉一個導(dǎo)帶電子生成Ti（IV）（7）捕捉表面鈦團(tuán)簇上的價帶和空穴。污染物一般來自6個方面：空氣污染、水污染、固體污染、放射性污染、噪聲污染、熱污染7.1.2納米材料在空氣凈化中的應(yīng)用光催化技術(shù)是解決日益嚴(yán)重的水、空氣和土壤等環(huán)境污染的一條新途徑，由于具有較小的顆粒尺寸，而且微粒表面形態(tài)隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子臺階，從而起到下面三方面的作用：1）提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)率；2）決定反應(yīng)路徑，良好的選擇性；3）降低反應(yīng)溫度。將多種有機(jī)污染物完全礦化為CO2、H2O及其它無機(jī)小分子或離子；將高毒性的CN-氧化為CNO-，CrO4+還原為Cr3+，降低毒性；將氣相體系中的氮氧化物分解并將有機(jī)污染物氧化。

例如：CXHY+（x+（y-z）/4）O2xCO2+yH++zCl-+（y-z）/2H2OHv，TiO2在紫外光作用下，TiO2產(chǎn)生的e-和h+除了可以直接與反應(yīng)物反應(yīng)外，還可與吸附在催化劑表面的其它電子給體或受體反應(yīng)，生成活性氧自由基并有殺菌的功能：應(yīng)用于石油提煉工藝中的脫硫工藝，從根源上解決污染源問題：納米材料可提高脫硫工藝的效率。半徑為55~70nm的CoTiO3和30~60nm的ZnTiO3粉可作脫硫催化劑，經(jīng)催化的石油中硫的含量小于0.01%,達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)。納米助燒催化劑可以使煤充分燃燒，不產(chǎn)生SO2氣體。復(fù)合稀土化合物的納米粉體如鈰酸鋯有極強(qiáng)的氧化還原性能，可徹底解決尾氣中的CO和NOx，從而無需進(jìn)行尾氣凈化處理。納米材料與納米技術(shù)可從兩方面降低大氣污染7.1.3納米材料在抗菌方面的應(yīng)用

-------納米抗菌復(fù)合材料細(xì)菌、霉菌作為病原菌對人類和動植物有很大的危害，影響人們的健康，甚至危急生命；微生物還會引起各種工業(yè)材料、食品、化妝品、醫(yī)藥品等分解、變質(zhì)、劣化、腐敗，會帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失。無機(jī)納米復(fù)合抗菌材料制備納米級抗菌復(fù)合材料是在納米級粉體的基礎(chǔ)上包覆功能材料復(fù)合而成的，按照纖維及抗菌材料的紡絲加工、細(xì)度、分散性等要求，抗菌粉體的制備工藝可分為以下幾個步驟：選核心顆粒：采用化學(xué)合成方法（包括液相合成法和氣相合成法）合成晶體結(jié)構(gòu)為銳鈦型的無機(jī)納米級粉體，制備過程中注意控制顆粒尺寸和表面吸附性能。功能材料組分的包覆：利用納米材料表面吸附效應(yīng)將功能材料Ag+等進(jìn)行吸附和離子交換。表面改性：對納米粉體進(jìn)行表面改性，解決粉體與高分子材料的結(jié)合、相容性及在載體中的分散性。水域工業(yè)污染污水處理：

將污水中通常含有的有毒、有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等物質(zhì)從水中去除。7.1.4納米材料在污水處理中的應(yīng)用納米材料在污水處理中的應(yīng)用（1）納米技術(shù)可將污水中的貴技術(shù)完全提煉出來，變廢為寶；（2）納米凈水劑具有很強(qiáng)的吸附和絮凝能力，是普通凈水劑效率的10~20倍；（3）通過納米粒子的光催化作用，將有毒水污染物完全礦化或氧化成無毒化合物；

有機(jī)物在光催化體系中的反應(yīng):

在溶氧條件下，在液相中可能引發(fā)上述一系列過程,產(chǎn)生多種高反應(yīng)活性的自由基，其中以·OH、HO2·等自由基氧化性最強(qiáng)，可以氧化難以被生物轉(zhuǎn)化的各種有機(jī)物并使之礦化。自由基反應(yīng)可使用半導(dǎo)體光催化處理的污染物包括：烷烴、脂肪烴、脂肪羧酸、酚醛、芳香族羧酸、染料、鹵代烴、農(nóng)藥、表面活性劑、重金屬離子等。

隨著大氣環(huán)境的變化，環(huán)境的污染，地球的臭氧層正在急劇的受到破壞。又有研究者最近發(fā)現(xiàn)，近幾年太陽黑子活動頻繁，且有加劇趨勢，因此人類正面臨著日益增強(qiáng)的紫外線輻射，人類的健康正日益受到威脅。過度的紫外線輻射是造成皮膚病、紅斑癌、皮膚癌、角膜炎、白內(nèi)障等威脅人類健康疾病的環(huán)境因素。因此具有抗紫外功能紡織品及其日常防護(hù)用品的開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化是非常有意義。納米二氧化鈦另一功能五、納米材料在抗紫外性方面的應(yīng)用抗紫外性的原因:光催化活性的本質(zhì)源于對紫外線的吸收。二氧化鈦抗紫外線的特點：二氧化鈦對不同波長的紫外線有不同的阻隔機(jī)理：對UVA以散射為主，對UVB以吸收為主；不同粒徑二氧化鈦的防曬范圍也不同，顏料級二氧化鈦(粒徑大于0.1μｍ)光散射性較強(qiáng)，以阻擋UVA為主；超細(xì)二氧化鈦(粒徑小于0.1μｍ)即納米二氧化鈦對光的散射相對較弱，防曬性以吸收UVB為主，且粒徑越小，對UVB射線的吸收越強(qiáng)。納米TiO2和納米ZnO等為無機(jī)成分,有很高的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、非遷移性、無味、無毒、無刺激性,使用安全,還兼具殺菌除臭作用。而且它們的紫外線防護(hù)能力強(qiáng),與同樣劑量的一些有機(jī)紫外線防護(hù)劑相比,在紫外區(qū)的吸收峰更高。更為可貴的是它們還是廣譜屏蔽劑,對UVA、UVB都有屏蔽作用,不像有機(jī)紫外線防護(hù)劑那樣只單一的對UVA或UVB有吸收。它們還能透過可見光,加入化妝品使用時皮膚白度自然,不像顏料級TiO2和ZnO,不能透過可見光,會造成使用者臉上出現(xiàn)不自然的蒼白顏色。由于具有這些優(yōu)越性能，它們很快登上世界紫外線防護(hù)材料的舞臺，并逐步取代了一些有機(jī)紫外吸收劑。1993年10月，在美國召開的第四屆紫外線防護(hù)劑會議上，就重點討論了納米TiO2和ZnO防紫外線輻射的效率問題。據(jù)日本近年來對日本銷售的37種方曬化妝品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)含納米TiO2或納米ZnO。總之，無機(jī)納米紫外線防護(hù)劑是性能非常優(yōu)越的物理屏蔽型紫外線防護(hù)劑有著很大的市場前景。盡管目前已有部分應(yīng)用，但是在制備和表面處理中還存在許多亟待解決的問題。雖然如此，但納米紫外線防護(hù)劑誘人的前景將吸引越來越多的人投入研究中來。六、納米環(huán)保復(fù)合涂料隨著人們生活水平的提高和環(huán)保意識的增強(qiáng)，建筑、裝修等問題越來越受到人們的重視，具有環(huán)保功能的“綠色涂料”日益成為發(fā)展的目標(biāo)。環(huán)保涂料作為一種新型涂料，除了具有通常涂料的各種功能外還有許多新型的光凈化功能和乳化度、抗菌、防污、除臭、耐老化等新型功能。1納米涂料簡單介紹所謂納米涂料一般是由納米材料與有機(jī)涂料復(fù)合而成的，因此更科學(xué)的講應(yīng)稱為納米復(fù)合涂料（Nano-compositeCoating）。普遍認(rèn)為，必須滿足兩個條件才可能稱為納米涂料：1.至少有一相尺寸在1nm～100nm之間；2.由于納米相的存在而使涂料性能得到顯著提高或有新功能。廣義上講,納米涂層還包括另外兩種：金屬納米涂層材料和無機(jī)納米涂層材料。金屬納米涂層材料主要是指材料中含有納米晶相,無機(jī)納米涂層材料則由納米粒子之間的熔融、燒結(jié)而得。我們經(jīng)常所說得納米涂料均為有機(jī)納米復(fù)合材料。有關(guān)納米涂料的定義需要經(jīng)一步指出的是：1.并不是用了納米材料的涂料都是納米涂料；2.并不是性能很好就是納米涂料；3.納米復(fù)合涂料的說法更科學(xué),但作為習(xí)慣,叫納米涂料也未嘗不可;4.在國外,許多涂料產(chǎn)品均使用了納米技術(shù),但出于技術(shù)保密,并沒有直接稱為納米涂料。

2改性納米環(huán)保復(fù)合涂料抗菌防污納米復(fù)合涂料

傳統(tǒng)的抗菌涂料因添加汞鹽、鉛鹽、酸鹽等,其毒性大、殘效期長,已被禁止使用；而添加合成有機(jī)殺菌劑用量雖然少,效果也較好,但卻存在著有效期短、毒性大、針對性強(qiáng)（面窄）等缺點。某些無機(jī)納米粒子（如納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2等）所具有的抗菌性已開始在一些高檔涂料中使用,所制成的抗菌納米復(fù)合環(huán)保涂料均有抗菌效果好、功效長、廣譜抗（殺）菌、對人及動物無毒性等優(yōu)點。納米抗老化環(huán)保復(fù)合涂料由于一般的涂料都含有大量的有機(jī)物,所以在時間的光線（特別是紫外線）照射下,有機(jī)物就會發(fā)生分解、降解等老化現(xiàn)象,涂料（特別是戶外涂料）就會出現(xiàn)失去光澤、變色、粉化、剝落等破壞現(xiàn)象。為克服這類弊病,許多高檔次的涂料中都添加一些已經(jīng)復(fù)合了抗老化的納米粒子。如納米TiO2、納米Fe2O3等是優(yōu)良的抗老化劑,它們可以吸收或散射不同波長的紫外光,可以明顯地提高涂料的耐老化性能。3納米環(huán)保復(fù)合涂料的發(fā)展趨勢為了使納米技術(shù)在涂料中得到廣泛的應(yīng)用,必須注意以下幾個關(guān)鍵問題：開展納米涂料的研究應(yīng)時刻與環(huán)保涂料的發(fā)展方向結(jié)合起來。目前環(huán)保涂料有四大方向：高固體粉涂料、水性涂料、紫外光固化涂料及粉末涂料。開展納米涂料施工工藝的研究。納米材料在涂料中的分散與穩(wěn)定問題。對納米材料在涂料中的特性及對涂料的作用進(jìn)行深入研究。正確選擇納米材料的品種、型號、添加量等。（納米材料在涂料中的應(yīng)用時并非用量越大越好,應(yīng)該有一個最佳用量。在涂膜中,適量的納米材料與基料之間良好的界面結(jié)合能增加涂層的剛性,提高涂層的耐磨、耐劃傷性。但加入量過大時,不僅成本升高,而且由于納米材料比表面積很大,很可能造成納米粒子與基料之間不能較好的相互作用,納米粒子不能充分均勻的分散,涂層的光澤、機(jī)械強(qiáng)度及耐水、防腐等性能受到嚴(yán)重影響。因此做好對比試驗,選好添加量也十分關(guān)鍵。）

6.2納米負(fù)離子材料一、負(fù)離子的定義二、產(chǎn)生負(fù)離子的基本途徑三、電氣石的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生負(fù)離子的原理

空氣中的氣體分子,如N2

、O2,一般呈中電性,當(dāng)它們受到外界某種因素作用時,其外層電子即擺脫原子核的束縛從軌道中躍出,氣體分子或原子則呈正電性,變?yōu)檎x子.所躍出的電子,若被中性氣體分子或原子捕獲,則呈負(fù)電性,變?yōu)樨?fù)離子.負(fù)離子是帶負(fù)電荷的單個氣體分子和輕離子團(tuán)的總稱。O2+e→O-

2.負(fù)氧離子(O-2)的產(chǎn)生:一、負(fù)離子的定義

空氣離子,尤其是空氣負(fù)離子有降塵、滅菌的功能,并能調(diào)節(jié)人體的生理機(jī)能,因此對人體有保健作用。人們都有這樣的感受,當(dāng)置身于喧鬧的都市,當(dāng)長時間呆在有空調(diào)的房間里、狂風(fēng)飛沙之后、天氣陰霾的時候,就會感到頭暈乏力、胸悶、疲勞、工作效率低下。反之,當(dāng)置身于綠色的大自然中,就會感到頭腦清醒,周身舒適。近年來的許多研究表明,空氣負(fù)離子像食物中的維生素一樣,對人和動物雖然需要不多,但長期缺少,就會影響機(jī)體的正常生理活動

,甚至引起疾病。

空氣中的維生素——負(fù)離子

對空氣負(fù)離子的作用進(jìn)行的大量觀測和臨床實驗證明，對人體健康有益的負(fù)離子是水化羥基負(fù)離子OH-

（H2O）m，即羥基負(fù)離子。

空氣中的負(fù)離子種類很多，包括電子和各種金屬原子、氣體分子反應(yīng)產(chǎn)生的負(fù)離子如M-（M為各種金屬）和O2-等。

負(fù)離子的醫(yī)療保健作用負(fù)離子使大腦皮層抑制過程加強(qiáng)和調(diào)整大腦皮層的功能,故能鎮(zhèn)靜、催眠及降血壓；負(fù)離子進(jìn)入人體呼吸道后,使支氣管平滑肌松弛,解除其痙攣；負(fù)離子進(jìn)入血液,可使紅細(xì)胞沉降率變慢,凝血時間延長,還能使紅細(xì)胞和血鈣含量增加,白細(xì)胞、血鈣和血糖下降,疲勞肌肉中乳酸的含量也隨之減少；負(fù)離子還能使腎、肝、腦等組織的氧化作用加強(qiáng),其中腦組織對負(fù)離子最為敏感；另外,空氣負(fù)離子還有去除塵埃、消滅病菌、凈化空氣的作用?？諝庳?fù)離子與生態(tài)旅游空氣負(fù)離子在空氣中含量的多少是生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的標(biāo)志.在一定濃度下,空氣中的負(fù)離子對人體具有保健、治病的功能;空氣中的負(fù)離子是促使人們回歸大自然的源動力,是建立療養(yǎng)地和開展生態(tài)旅游的前提條件,是旅游景區(qū)深度開發(fā)的關(guān)鍵,是旅游城鎮(zhèn)規(guī)劃建設(shè)的重要內(nèi)容,保護(hù)空氣負(fù)離子是旅游可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。二、產(chǎn)生負(fù)離子的基本途徑：(1)地殼中的放射性物質(zhì)；(2)大氣中的放射性物質(zhì)；(3)宇宙射線和太陽紫外線。除上述之外,大氣中的很多物理過程,如火山爆發(fā)、森林火災(zāi)、光電效應(yīng)、海浪、閃電、雷暴、塵暴、雪暴以及其它形式的放電現(xiàn)象等等,也能使空氣分子電離,但這些都是次要的電離劑。產(chǎn)生負(fù)離子的健康材料天然礦物（電氣石等）；稀土礦物；半導(dǎo)體氧化物；等等。結(jié)構(gòu)特點：三方晶系,晶體結(jié)構(gòu)由[Ｓｉ6Ｏ18]復(fù)三方環(huán)、[ＢＯ3]三角和[Ｙ-Ｏ5(ＯＨ)]三重八面體組成。[Ｙ—Ｏ5(ＯＨ)]由三個[Ｙ-Ｏ5(ＯＨ)]八面體共棱且共一角頂連接而成,其中Ｏ(1)、Ｏ(3)為ＯＨ的位置基本單位,水平地分布于菱面體的角頂,并為[Ｙ-Ｏ5(ＯＨ)]所連接。[Ｙ-Ｏ5(ＯＨ)]八面體共棱連接成平行于ｃ軸的螺旋柱。Ｘ原子位于[Ｓｉ6Ｏ18]復(fù)三方環(huán)空隙的上方,配位數(shù)為9。構(gòu)成[Ｓｉ6Ｏ18]復(fù)三方環(huán)的六個硅氧四面體,角頂指向同一方向,被解釋為其極性存在的原因。ＸＹ3Ｚ6[Ｓｉ6Ｏ18][ＢＯ3]3(Ｏ,ＯＨ,Ｆ)4

其中，Ｘ=Ｃａ,Ｋ,Ｎａ;

Ｙ=Ｆｅ2+,Ｍｇ2+,Ａｌ,Ｌｉ,Ｆｅ3+,Ｍｎ2+;

Ｚ=Ａｌ,Ｃｒ3+,Ｆｅ3+,電氣石的化學(xué)分子式為：三、電氣石的結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生負(fù)離子的原理電氣石的電場效應(yīng)主要表現(xiàn)為:(1)電場對水的電解作用。由于自發(fā)極化效應(yīng),在電氣石的周圍存在著以ｃ軸軸面為兩極的靜電場,靜電場隨著遠(yuǎn)離中心迅速減弱,在電氣石表面厚度十幾微米范圍內(nèi)存在高場強(qiáng)。在靜電場的作用下,水分子發(fā)生電解,形成Ｈ+和ＯＨ-,Ｈ+和水分子結(jié)合形成活性分子Ｈ3Ｏ+,活性分子具有極強(qiáng)的界面活性,可以吸引水中的雜質(zhì)、污垢,起到凈化水源的作用;ＯＨ-和水分子結(jié)合形成負(fù)離子,可以增加空氣中的負(fù)離子數(shù),改善人們的生活環(huán)境。(2)靜電場對帶電離子的吸附與中和。靜電場對處于其中的帶電粒子有吸附作用,可以用于吸附粉塵、帶電離子等。電氣石在環(huán)境