纳米粒子技术在化工领域的应用特点与发展现状

上一篇 / 下一篇  2011-07-25 21:30:08

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纳米粒子作为光催化剂,有着许多优点。首先是粒径小,比表面积大,光催化效率高。另外,纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前,大部分不会重新结合。因此,电子、空穴能够到达表面的数量多,则化学反应活性高。其次,纳米粒子分散在介质中往往具有透明性,容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前,工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂,用于废水处理(含SO32-或Cr2O72-体系),已经取得了很好的效果。

    用沉淀溶出法制备出的粒径约30~60nm的白色球状钛酸锌粉体,比表面积大,化学活性高,用它作吸附脱硫剂,较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。

    纳米静电屏蔽材料,是纳米技术的另一重要应用。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成,但性能并不是特别理想。为了改善静电屏蔽材料的性能,日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3 、TiO2、ZnO等做成涂料,由于具有较高的导电特性,因而能起到静电屏蔽作用。另外,氧化物纳米微粒的颜色各种各样,因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色,这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性,而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。

    另外,如将纳米 TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中,则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为,其体系中只需含纳米二氧化钛0.5~1%,即可充分屏蔽紫外线。目前,日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色,而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物,从而降低食品的营养价值。如用添加0.1~0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品,既可以防止紫外线对食品的破坏作用,还可以使食品保持新鲜。将金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中,可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体,可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩,用于电池电极、化学成分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。纳米微粒还可用作导电涂料,用作印刷油墨,制作固体润滑剂等。

    用化学共沉淀法得到ZnCO3 包覆Ti(OH)4粒子,在一定温度下预焙解后,溶去绝大部分包覆的ZnO粉体,利用体系中少量的ZnTiO3(ZnTiO3与TiO2(R)的晶体结构类似)促进了TiO2从锐钛型向金红石型的转化,制得粒径约20~60nm的金红石型二氧化钛粉体。用紫外分光光度计进行了光学性能测试,结果发现此粉体对240~400nm的紫外线有较强的吸收,吸收率高达92%以上,其吸收性能远远高于普通TiO2粉体。另外,由于纳米粉体的量子尺寸效应和体积效应,导致纳米粒子的光谱特性出现"兰移"或"红移"现象。在制备超细铝酸盐基长余辉发光材料时,用软化学法合成出的超细发光粉体的发射光谱的主峰位置,较固相机械混合烧结法制备的发光粉体兰移了12nm。余辉衰减曲线表明,该法合成出的发光粉体,其余辉衰减速度相对固相法合成出的发光粉体要快得多,这些都是由于粉体粒子大幅度减小所致。

    研究人员还发现,可以利用纳米碳管其独特的孔状结构,大的比表面(每克纳米碳管的表面积高达几百平方米)、较高的机械强度做成纳米反应器,该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中,反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列,但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。科学家们利用纳米尺度的分子筛作反应器,在烯烃的光敏氧化作用中,将底物分子置于反应器的孔腔中,敏化剂在溶液中,这样就只生成单重态的氧化产物。用金属醇化合物和羧酸反应,可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离,可形成不同纳米结构"作为纳米反应器。

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