纳米材料在化学化工领域的应用

纳米材料在化学化工领域的应用姓名王楠学号140122011041专业年级高分子材料与工程2011级2014年5月前言纳米材料是指在纳米量级（1～100nm）内调控物质结构制成具有特异功能的新材料，其三围尺寸中至少有一维小于100nm，且性质不同于一般的块体材料。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等，在电子、能源、生物、材料、航空航天、化学化工等领域都发挥了巨大作用，对人类和社会也产生了重大的影响。纳米材料的应用前景十分广阔，在化学化工中的应用，主要是新型催化剂、材料防腐、环保领域等，对整个社会和人类的发展起到了巨大的推动作用。1.纳米材料在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应速度和反应效率，节省了资源，使经济效益提高，并且降低了环境污染。1.1光催化反应纳米粒子作光催化剂具有粒径小、粒子达到表面数量多、光催化效率高、纳米粒子分散在介质中具有透明性、容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移，以及纳米粒子光催化剂易受氧化还原的影响等特点。采用TiO₂进行苯酚的光催化分解，当颗粒尺寸小于16nm时会出现明显的量子尺寸效应，其UV吸收明显蓝移，催化活性也有明显提高。将纳米TiO₂涂在高速公路照明设备的玻璃罩表面上，由于光催化活性高，可以分解表面的油污，从而使表面保持良好的透光性。1.2氢催化反应在纳米碳管上负载铑膦配合物作为丙烯加氢甲酰化催化剂，可得到高的丙烯转化活性及高的丁醛选择性，这可能是与碳纳米管的纳米内腔的空间立体选择性及由碳六元环构成的憎水性表面相关引起的。采用尺寸为5nm的纳米钯负载于TiO₂上进行己烯催化加氢反应，在常温常压下就可100%的转化为己烷，而用普通的钯催化剂在同等条件下只能得到29.17%的己烷、21.16%的己烯异构体和48.17%的1-己烯。1.3其他催化反应中纳米材料的应用在火箭发射用固体燃料推进剂中，添加约1wt%的超细铝或镍颗粒，每克燃烧的燃烧热可增加一倍。将比表面为180㎡/g的碳纳米管直接应用于NOx的催化还原，在573K时可获得8%的NO转化率，当温度升至873K时可得到100%的NO转化率。2.纳米材料作为增强、增韧和抗腐用的纳米塑料纳米塑料是指金属、非金属和有机填充物以纳米尺寸分散于树脂基体中形成的树脂基纳米复合材料。在树脂基纳米复合材料中，加入的填料分散相为纳米材料，其尺寸至少在一维方向上小于100nm。分散相的纳米尺寸效应、表面效应和强界面结合，使纳米塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能。例如：高强度、抗静电性和防辐射等。3.纳米材料在材料表面防腐及功能化中的应用借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等。采用纳米二氧化锡、二氧化钛、三氧化二铬等与树脂复合可作为静电屏蔽的涂层，用纳米钛酸钡可制成高介电绝缘涂层，用纳米四氧化三铁可作为磁性涂层带，可以依据纳米材料的特性设计出各种涂层，如紫外线反射涂层、各种屏蔽的红外线吸收涂层等。3.1防护涂层腐蚀现象广泛地存在于金属材料中，而老化现象对非金属材料的破坏十分明显。各类新型、高性能防护涂层起到防止金属材料腐蚀和延缓复合材料老化的作用，从而保证构件的安全和延长使用寿命。（1）金属和合金的纳米涂层材料金属和合金的纳米涂层材料通常采用电解、还原和喷雾的方法，生成金属或合金纳米粉，然后根据需要作为单独的金属（或合金）涂层、金属复合涂层或金属基复合涂层。（2）陶瓷材料纳米涂层无机非金属材料和陶瓷材料的纳米涂层是纳米涂层材料的主要部分，它兼顾金属、非金属和复合材料的优势，大量用于耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨、高强度、电绝缘等关键部位。无机非金属纳米涂层主要包括氧化物涂层、非氧化物涂层及金属陶瓷复合涂层3类。（3）塑料与高分子纳米复合涂层材料将与涂料有较好亲和性的有机高分子纳米或超微米微粒复合，既可增强涂料的结合强度，又可提高涂料的抗腐蚀能力。3.2纳米光学涂层（1）纳米光学涂层纳米材料涂层具有一定的光学性能。它的光学透射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段。纳米多层组合涂层经过处理后在可见光范围内出现荧光，可用作多种光学器件。改变纳米涂层的组成和特性，得到光致变色、温致变色和电致变色等效应，产生特殊的防伪和识别手段。这些不同于常规块体材料的特殊光学性能，与纳米颗粒的小尺寸效应息息相关。（2）纳米红外涂层纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。红外吸收材料在日常生活和国防上都有重要的应用前景。一般地说，人体释放的红外波段长大致在4~6mm的中红外频段，如果不对这个频段的红外线进行屏蔽，就很容易被探测器发现，影响人身安全。纳米氧化铝、纳米氧化钛、纳米氧化硅和纳米氧化铁的复合粉对中红外频段有很强的吸收。纳米添加的纤维对人体红外线有强吸收作用，既可以增加保暖效果，又可以减轻衣服质量。（3）纳米紫外线防护涂层纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，同时，纳米微粒分体对各种波长光的吸收带有宽化现象。研究发现，纳米氧化铝粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，可用于提高日光灯管使用寿命。还可用纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收，如防晒霜、化妆品中普遍加入纳米微粒用于吸收大气中对人体有害的300～400nm波段的紫外线。4.纳米材料在环保领域中的应用4.1纳米微粒光催化原理对空气和水污染治理的关键在于污染物的降解过程本身也应该是环保的。如今，光催化研究领域的重点发展方向就是空气净化和废水处理技术。半导体光催化自发现以来一直受到人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。纳米微粒作为光催化剂，具有粒径小、比表面积大、光催化效率高化学反应活性高等特点。4.2纳米材料在空气净化中的应用纳米材料之所以在处理空气污染方面有广阔的应用前景，是因为其具有较小的颗粒尺寸，而且纳米微粒表面形态随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而起到以下三个方面的作用：（1）提高反应速度，增加反应率；（2）决定反应路径，良好的选择；（3）降低反应温度。纳米材料和纳米技术的应用能够从以下两个方面降低大气污染：（1）纳米材料应用于汽车尾气的超标报警器及净化器上，减少有毒气体的排放；（2）纳米材料应用于石油提炼工业中的脱硫工艺。4.3纳米材料在污水处理中的应用污水治理就是将污水中通常含有的有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等物质从水中去除。纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯和铂等完全提炼出来，变害为宝。无论是有机还是无机污染物，通过纳米微粒的光催化作用分别可以完全矿物化或氧化成无害的最终化合物。总结纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。纳米技术研究的最终目的都是要实现材料应用化，改善人类的环境与生活，所以纳米材料纳米技术所有研究研究方向的归结处。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。正像美国科学家估计的，“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品及形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量，提供新的机遇。参考文献[1]唐元洪.纳米材料导论[M].长沙：湖南大学出版社，2011.182—183.[2]许并社等.纳米材料及应用技术[M].北京:化学工业出版社，2004.375—402.[3]汪信，刘孝恒.纳米材料学简明教程[M].北京:化学工业出版社，2010.[4]李明，刘铁.纳米材料在化工领域的应用[J].当代化工，2001，30(1)：14—16.[5]闫淑萍.纳米材料在化工领域中的应用[J].河北化工，2001，(3)：1—5.[6]张艳辉纳米材料在化工领域的应用[J].内蒙古石油化工，2008，(5)：35—36.