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纳米材料的应用论文:纳米材料在化工产业中的应用

2010-12-05 2 侵权/举报
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纳米材料的应用论文:

纳米材料在化工产业中的应用

摘要:纳米材料是处于原子簇与宏观物体交界过渡区的一种系统,具有独特的物理性质和化学性质。纳米材料的发展在物理、化学、生物、医药和材料等领域带来了新机遇,在化工产业也得到了一些应用。本文主要介绍了纳米材料的制备方法,然后对它在催化、过滤分离、涂料和精细化工四方面的应用进行了浅析。

  关键词:纳米材料 化工产业

  纳米材料又称为超细微粒、超细粉末。因为其具有既不同于块体材料,也不同于原子的结构,其晶粒的分界面处于既非长程有序、又非短程有序的高度无序状态,因此纳米材料具有表面效应、体积效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等一系列特殊的物理性质和化学性质[1]。80年代初纳米材料概念形成后,纳米材料引起了物理学家、化学学家和材料学家越来越多的兴趣与重视。由于其表现出独特的光、电、磁、热、力学、机械等性能,纳米技术已经快速的渗透到各个领域中去。近年来,纳米材料在化工产业中也得到了一定应用,并表现出了它应有的独特魅力。本文首先介绍了纳米材料的制备方法,然后在文章最后分析了其在催化、过滤分离、涂料与精细化工四方面的应用。

  1纳米材料的制备

  纳米材料的制备方法主要包括物理方法和化学方法。物理方法由于制备的颗粒档次不高,因此化工产业主要采用化学方法进行制备。化学方法主要包括化学共沉淀法、溶胶—凝胶法、水热法、微乳液法、喷雾热解法、冲击波合成法等。下面对其中的一些制备方法进行一下简单介绍。

  1.1化学共沉淀法

  化学沉淀法是指在包含两种或两种以上金属离子的可溶性盐溶液中加入适当沉淀剂,将金属离子均匀沉淀或结晶出来,再经过滤、洗涤、干燥、煅烧和热分解等工艺而得到纳米材料的方法。

  以ZnFe2O4的合成为例,其反应过程可用下式表示:

  产生共沉淀 Fe(NO3)3+Zn(NO3)2+5NaOH=Fe(OH)3+Zn(OH)2+5NaNO3

  煅烧时的故乡反应 2Fe(OH)3+Zn(OH)2=ZnFe2O4+4 H2O

  1.2溶胶—凝胶法

  溶胶—凝胶法是将金属醇盐或者无机盐经过水解而直接形成溶胶,或者经过解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,然后使凝胶干燥、煅烧以去除有机成分,最后合成纳米材料的方法。

  1.3水热法

  水热法是以水为溶剂,在较高温度和压力下(100、105Pa以上),在一个密闭压力容器内进行反应而制备纳米材料的方法,它制备的纳米材料具有粒径小、粒度均匀、不需要高温煅烧预处理和可实现多价离子掺杂等优点。

  2纳米材料在化工产业中的应用

  2.1纳米材料在催化方面的应用

  催化剂在化工产业生产中可以有效控制反应时间、提高反应效率和速度。但传统的催化剂催化效率比较低,不仅造成原料浪费、难以提高经济效益,而且对环境也造成了很大程度的污染。

  纳米材料由于表面活性中心多,其多孔的结构成为它作为催化剂的必要条件,它可以在很大程度上提高反应速度和效率,降低反应温度和条件,甚至使原先不能进行的反应也得以实

现。纳米材料作为催化剂在反应速度上比传统的催化剂提高了10到15倍。纳米材料作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂,每一个半导体颗粒可以看成一个分散在溶液里的短路的微型电池。用一定能量的光照射半导体时,半导体吸光形成电子—空穴对。然后在外加电场的作用下,电子—空穴对分离,分别迁移到颗粒不同的表面位置,与溶液中相似的成分进行氧化与还原反应。半导体光催化剂一般可以有效降解水中的有机污染物。比如氧化钛不仅有着较高的光催化活性,而且耐酸碱腐蚀、对光稳定、无毒、成本低、易制备等特点。用纳米材料作为化学产业生产中的催化剂是未来催化科研不可忽视的课题。

  2.2纳米材料在过滤分离方面的应用

  纳米材料过滤分离技术主要应用在水和空气的纯化、药物和酶的提纯、油水分离等方面。虽然氧分子与氮分子大小差距仅0.02nm,但利用纳米材料进行纯氧的生产无需深冷工艺,可以直接从氧分子中去除氮[2]。除此之外,纳米多孔材料实现了除重金属等环境治理方面的应用,碳纳米管制成的分离膜实现了高速低压气体的分离。

  2.3纳米材料在涂料方面的应用

  由于纳米材料表面和结构的特殊性,具有强度高、耐磨耗、透明和导电等特点。在传统涂料中加入纳米材料,可以实现传统涂料功能的改性,比如在卫生用品上实现杀菌保洁作用、在标牌上可以实现储存太阳能的目的、在玻璃等建材产品上实现减少光的透射与热传递、在汽车装饰喷涂业上使汽车的金属闪光面漆涂层产生神秘的色彩效果。具有半导体性质的纳米氧化物材料由于在室温下具有比传统氧化物较高的导电性,从而起到良好的静电屏蔽作用。而纳米SiO2可以使涂料抗紫外线辐射、抗老化、提高光洁度和强度。

  2.4纳米材料在精细化工方面的应用

  精细化工是一个数量繁多、用途广泛的工业领域。纳米材料由于其优越的性能也注定在精细化工方面得到广泛的应用。比如在橡胶中加入纳米SiO2可以提高抗紫外辐射能力,加入纳米SiO2和Al2O3可以提高耐磨性、介电性与弹性。在塑料中加入纳米材料可以提高强度、韧性,从而提高塑料的致密性与防水性。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的纳米SiO2可以提高有机玻璃的抗紫外、抗老化的目的,而加入纳米Al2O3可以提高有机玻璃的高温冲击韧性,而且不会影响其透明性。

  3结语

  21世纪将是纳米技术的时代,是21世纪最前沿、最重要的科学。随着纳米材料制备、改性技术的不断创新,纳米材料在化工产业生产中得到了越来越广泛的应用。本文主要介绍了纳米材料化学沉淀法、溶胶—凝胶法、水热法等化学制备方法,并对纳米材料在催化、过滤分离、涂料、精细化工等化工产业方面的应用进行了浅析。纳米材料的应用前景无可限量,必将对人类社会产生深远的影响。

  参考文献

  [1] 杨辉,江仲华,葛曼珍,等.材料科学与工程,1990,8(4):29.

  [2] 刘太奇.纳米空气净化技术[M].北京:化学工业出版社,2004.




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