纳米TiO2自清洁性及其应用（5篇可选）

第一篇：纳米TiO2自清洁性及其应用

纳米TiO2自清洁性及其应用

201240720221刘婷 应化2班

摘 要：由于自洁净材料具有光催化、自清洁、抗菌等功能 ,人们对光催化自洁净材料的研究日益关注，市场对于自清洁薄膜产品的需求也日益增加，其发展前景非常乐观。本文主要概述了纳米二氧化钛自清洁材料的机理及应用。关键词：光催化；TiO2；自清洁；应用 引言

随着人类社会的发展，环境污染问题受到人们越来越多的关注，如何消除或减少工业生产对环境造成的污染已成为一个全球性的问题。TiO2能直接利用包括太阳光在内的各种途径的紫外光，在室温下对各种有机的或无机的污染物进行分解或氧化，从空气中清除这些污染物。该项技术具有能耗低、易操作、除净度高等特点，尤其对一些特殊的污染物具有比其他方法更突出的去污效果，而且没有二次污染等，成为多相光催化领域的研究热点，具有广泛的应用前景。2 自清洁机理 2.1 光催化机理

TiO2是一种n型半导体材料，有强的氧化性和还原性。在光化学反应中，以TiO2作催化剂，在太阳光，尤其是在紫外线的照射下，使TiO2固体表面生成空穴(h+)和电子(e-)。空穴(h+)使H2O氧化，电子(e-)使空气中的O2还原，使有机物氧化为CO2、H2O等简单的无机物[1]。光催化反应的机理模式如下: TiO2 + hγ → e-+ h+ h+ + H2O →·OH+ H+ e-+ O2 →·O2-·O2-+ H+ →HO2· 2HO2·→O2+H2O2 H2O2+·O2-→·OH +OH-1.2 亲水性机理

在紫外光照射的条件下，氧化钛表面的超亲水性是由于其表面的结构变化：在紫外光的照射下，氧化钛价带的电子被激发到了导带，电子和空穴向氧化钛表面迁移，在表面形成电子空穴对，电子与Ti4+反应，空穴则同薄膜表面的桥氧离子反应，分别生成Ti3+和氧空位，空气中的水分子与氧空位结合形成表面羟基,形成物理吸附水层, 其表面就会有极强的亲水性,与水的接触角减小到5°以下,甚至水滴可以完全浸润二

氧化钛薄膜表面，薄膜具有的这种性质称为超亲水性。

从实际应用角度看，薄膜所处的环境是复杂多变的，涉及到温度、空气的湿度、日照时间、空气中灰尘的浓度等因素。特别是空气中的灰尘，一旦积聚在薄膜表面并形成化学结合，必将大大减弱薄膜的亲水性能。TiO2薄膜必须不断进行光催化降解而除去这些污染物，才能达到自清洁的效果[2]。2 自清洁材料的应用

在室内环境净化研究中，利用纳米TiO2的光催化性和超亲水性, 将纳米TiO2负载在墙纸、日光灯、窗玻璃上，可以除去空气中的细菌和有机污染物；经纳米TiO2负载的抗菌陶瓷用品是医院、宾馆卫生设施抗菌除臭的理想材料；将纳米TiO2掺入建筑涂料中,可以提高涂料的防水性,防污性，而且对人体和环境无任何损害。将纳米TiO2膜用于建筑材料表面时,可使建材表面具有净化空气、杀菌、除臭、防污等环保功能，大大节省保洁费用。2.1 自清洁玻璃 2.1.1 自清洁玻璃的定义

自清洗玻璃是优质清洁玻璃基片镀膜后，经太阳光照射后，具有降解有机物和光诱导超亲水性，在雨水的洗刷下，能将污物松散和除去，达到玻璃表面的自洁净的玻璃[3]。

2.1.2 自清洁玻璃的机理

自清洁玻璃则是通过在玻璃表面镀制TiO2光催化涂层来实现的。该涂层在阳光中的紫外线的作用下，将其表面附着的有机物分解为H2O和无害的无机物, 使玻璃表面具有超亲水性，从而使玻璃变得易清洗、不结雾。当水在TiO2薄膜表面的接触角小于15°时具有高的水流动性，小于10°时有自清洁效果，小于7°时有防雾效果[4]。2.2 自清洁陶瓷

在陶瓷表面涂以TiO2的途层，可以使这些材料的表面经光照后具有防污垢沉积、易洗、易干等“自洁”功能。陶瓷的表面吸附了空气中的有机物和无机物后，有机物不溶于水，形成污垢，表面变脏，且有机污垢用水很难擦洗干净。如果这些材料表面涂敷-层TiO2薄膜，利用光催化作用，可以把吸附在表面的有机物分解成CO2和H2O，剩余的无机物可以被雨水冲刷干净，这个过程就是自清洁[5]。

日本ToTo公司在世界上首先开发出具有抗菌效果的建筑卫生陶瓷。目前我国在自洁净陶瓷的研究和开发方面也已取得了明显的进展。刘平等采用改进的Sol-Gel技术制备了负载型自清洁陶瓷,考察了热处理条件和膜厚度等光催化膜制备与反应条件对自清洁陶瓷光催化活性的影响,研究结果表明,灭菌效果和油酸光降解速度取决于负载光催化膜的晶相组成、晶粒大小及其比表面积。贺飞等采用溶胶-凝胶法,在自制的陶瓷釉体表面负载粒径大小为40～100 nm的TiO2晶粒 ,形成透明均一无“彩虹效应”的TiO2光催化薄膜型自洁功能陶瓷,具有超强亲水性和去污功能[6]。

2.3 自清洁涂料

自清洁涂料，也称自洁净涂料、光催化剂涂料等，在功能上与自清洁陶瓷或自清洁玻璃一样，利用了光催化材料的超级氧化，分解污物的能力和超亲水性。与自清洁瓷砖或玻璃不同的是，涂料可以在室温下成膜、可适用范围和场合更广、制作和运输更方便、价格更低廉[7]。

自清洁涂层能够使表面污染物或灰尘颗粒在重力、雨水、风力等外力作用下自动脱落或通过光催化降解而除去，具有节水、节能、环保等优点，在建筑、交通、新能源等行业具有重要的应用前景。近年来，它已成为先进功能涂料的研究热点。目前，基于不同的自清洁原理，已发展了两类自清洁涂层。一类是超疏水(水接触角>150°)自清洁涂层，它通过水滴滚动带走灰尘，实现类似于荷叶的自清洁功能。如在 2000 年，德国推出具有“荷叶自清洁”功能的硅树脂外墙涂料，墙面灰尘可通过雨水冲刷去除，达到自清洁效果。但现有超疏水涂层仍存在制备工艺复杂、制备面积小、力学性能差、耐油性污染物能力差等问题，缺乏实际使用价值。另一类是基于无机光催化半导体材料的自清洁涂层。在这一类自清洁涂层中，最为典型的是二氧化钛(TiO2)涂层材料[8]。2.4 自清洁纺织品

纺织品经常洗涤容易起毛起球和变形，既影响穿着舒适性又影响美观。因此，研究与开发出一种具有光催化自清洁功能的纳米自清洁纺织产品，将具有较大的实际意义，能产生较大的经济效益与社会效益。

经过纳米自清洁整理的羊绒织物纤维表面均匀分布了大量的纳米复合粉体颗粒。由于纳米材料粒径小，表面能高，因此它能牢而提高，这是因为增加纳米整理剂浓度的同时，吸附在羊绒针织品上的纳米TiO2复合粉体将会增加，当光子照射到织物表面的时候，就会激发出更多的高活性自由移动的光生电子(e-)和空穴(h+)，生成更多的超氧阴离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)，致使更有效地将有机油污直接氧化为CO2和 H2O等无机小分子[9]。

纳米TiO2用于对织物的整理,在日光照射或其他含有紫外光的光线照射下,织物中的纳米二氧化钛产生光催化作用,具有排除灰尘、气味、细菌、色泽污迹及分解有害有机物质如甲醛等物质的功能。2.5 自清洁绿色外墙瓷砖

外墙瓷砖在建筑上使用广泛，但其清洗维护则存在劳动强度大、环境污染重和成本费用高等问题。

绿色外墙瓷砖是指具有光催化性能和自清洁功能的环境友好型免维护外墙瓷砖，通常在普通外墙瓷砖表面通过物理或化学方法沉积一层坚硬牢固的光活性纳米二氧化钛膜层。二氧化钛膜层经过太阳光中的紫外线照射后，能够将表面附着的油污等有机污染物高效降解为二氧化碳和水。同时，无机污染物也不易附着在自洁净外墙瓷砖

表面，经紫外线照射的瓷砖表面具有良好的亲水性。雨水落在外墙瓷砖上面时，形成一层薄的水膜，而不是水珠，雨水不会聚集在一处而是扩散到整个表面,均匀地冲刷掉浮在瓷砖表面上的污迹，不会在普通外墙瓷砖上留下难看的条痕。通常自然的降雨就能够使绿色外墙瓷砖保持长期的清洁效果。在雨水稀少时，降解后的污迹颗粒能够被风吹掉，用清水简单地冲洗也能使外墙瓷砖保持洁净[10]。3 结语

研发具有抗菌和自净化功能的自清洁材料对保护环境和实现可持续发展具有重要意义,这类新型功能材料的使用面极广,具有广阔的发展和应用前景。但是,目前自清洁材料的产业化受到了一些技术上的制约:其在可见光下的光催化效率太低, TiO2膜的大面积制备技术也不够成熟,自清洁性能的持久性还有待提高等。今后的自清洁材料将会朝着光催化效率更高,自清洁性能更稳定的方向发展。同时,自清洁材料的应用领域还可以不断的拓宽,如空气净化、污水处理、光催化反应器和太阳能电池组件等。只有通过不断的研究和探索,才能更大的发挥光催化自洁净材料的作用,使它能满足人们对较高生活质量的追求。

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第二篇：纳米TiO2的制备方法与应用

1.1 纳米材料的概述

纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能[2]。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20-30nm大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料[3]。

在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一[4]。

1.2 纳米TiO2的概述

钛的氧化物——二氧化钛，是雪白的粉末，是最好的白色颜料，俗称钛白。以前，人们开采钛矿，主要目的便是为了获得二氧化钛。钛白的粘附力强，不易起化学变化，永远是雪白的。特别可贵的是钛白无毒。它的熔点很高，被用来制造耐火玻璃，釉料，珐琅、陶土、耐高温的实验器皿等[5]。

纳米TiO2具有独特的光催化性、优异的颜色效应以及紫外线屏蔽等功能,在光催化剂、化妆品、抗紫外线吸收剂、功能陶瓷、气敏传感器件等方面具有广阔的应用前景。

1.3 纳米TiO2的制备方法 纳米TiO2在光催化领域具有举足轻重的地位，因此制备高光催化性能的纳米TiO2一直也是光催化研究的重点内容。纳米TiO2的制备方法大致可以分为气相法和液相法[6]。

1.3.1气相法

气相法是正在开发的一种优良方法，多用于制备纳米级别的粒子或薄膜，该法是使用钛卤化物、钛有机化合物等在加热条件下挥发，经气相反应使生成物沉淀下来。气相法合成纳米Ti02颗粒具有纯度高、粒度细、分散性好、组分易于控制等优点[7]。但是气相法由于受能耗大、设备复杂、产品生产成本高、对设备材质及工艺过程要求高等条件限制，在我国要实现工业化生产，还要解决设备材质及一系列制备的工程技术问题。

1.3.2液相法

液相法是选择可溶于水或有机溶剂的钛盐，使其溶解并以粒子或分子状态混合均匀，再选择一种合适的沉淀剂或采用蒸发、结晶、升华、水解等过程，将钛离子均匀沉淀后结晶出来，再经脱水或热分解制得粉体。液相法具有合成温度低、设备简单、易操作、成本低等优点，是目前实验室和工业上广泛采用的方法。其中包括溶胶——凝胶法、水热合成法、化学沉淀法等。

20世纪70年代以来溶胶——凝胶法在玻璃氧化物涂层、功能陶瓷粉料、玻璃和陶瓷纤维，尤其是烧结方法难以制备的复合氧化物材料、高Tc氧化物超导材料等的合成中得到成功的应用。该法制备的有机/无机纳米复合材料，可用于改性无机玻璃、陶瓷及其它氧化物材料，也可用此方法以无机材料改性有机高聚物及复合膜的制备[8]。

（1）溶胶——凝胶法

溶胶——凝胶法具有化学均匀性好、纯度高、化学计量比易控制、设备简单、易操作等优点，是目前研究得较多的二氧化钛制备方法。

溶胶——凝胶法制备二氧化钛粉体或薄膜基本原理是将金属醇盐或无机盐在有机介质中水解、缩聚反应得到凝胶，凝胶经陈化、干燥、锻烧制得所需材料。

溶胶——凝胶法制备纳米二氧化钛粉体虽然具有化学均匀性好、纯度高、易操作和成本低等优点，但其不足是制样需要的时间周期长；而且由于需要高温锻烧，导致粉体颗粒尺寸分布宽、易团聚和比表面积低等，从而导致其光催化活性低[9]。因此，近几年来，溶胶——凝胶法制备纳米二氧化钛粉体及其光催化性能的研究已经很少见报道，但在制备纳米二氧化钛相关的薄膜时也还常用溶胶——凝胶法。（2）沉淀法

沉淀法是指在包含一种或多种离子的可溶性盐溶液中，当加入沉淀剂(如氢氧根、碳酸根、草酸根等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需氧化物粉体的方法[10]。沉淀法包括共沉淀法、均相沉淀法和金属醇盐水解法。沉淀法制备纳米二氧化钛时，控制成核和核生长速度是获得纳米二氧化钛颗粒大小的关键步骤。

沉淀法在制备金属阳离子和非金属阴离子掺杂纳米下氧气方面也常用。虽然沉淀法以工艺条件简单、制样时间较短、成本低等优点一直被应用于制备纳米二氧化钛相关的催化剂，但沉淀法制备的沉淀仍然需要高温锻烧才能得到锐钛矿型或金红石型二氧化钛，因此也存在粉体颗粒尺寸分布宽、易团聚和比表面积低等问题[11]。

（3）水热法

水热法(溶剂热法)是指在特制的密闭反应容器(高压釜)里，采用某种溶剂(水或有机溶剂)作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，然后发生一系列反应合成(制备化合物的方法。当以水作溶剂时，就叫水热法，以示与有机溶剂作溶剂的溶剂热法区别[12]。

水热法广泛应用于制备纳米二氧化钛，纳米二氧化钛的晶型、形貌、晶粒大小、比表面积等受体系pH、水热温度、保温时间、钦醇盐或无机，徐浓度、溶剂组成、矿化剂(外加电解质)等的影响。通常强酸性介质和较高的水热温度有利于形成金红石相，中性及弱酸性介质和较低的水热温度则有利于锐钛矿相的形成。

水热法(溶剂热法)在制备粉体方面具有: 1)产物粉末细、纯度高、分散性好、分布窄、晶型好、无需高温锻烧;2)晶粒物相和形貌易控；

3)工艺较为简单，成本也较低等特点。具体到水热法合成二氧化钛光催化应用方面，由于合成的二氧化钛可以从几纳米至几十纳米，几纳米时通常具有量子尺寸效应(带隙边蓝移)和表面效应(高比表面积)，所以在紫外光条件下常具有较高的光催化活性。

（4）钛醉盐高温水解法

将金属钦醇盐稀释到一定量的有机溶剂中，将钦醇盐溶液装入试验管，把试验管放入高压反应釜内，在试验管与高压反应釜内壁间隙之间注入一定量的水或有机溶剂(当在间隙之间注水时叫“钛醇盐高温水解法”，当注入有机溶剂时叫“钛醇盐高温热分解法”。在反应釜升温过程中水逐渐蒸发以气态形式溶入有机溶剂使钛醇盐发生水解，生成的二氧化钛同时在有机溶剂中晶化得到纳米二氧化钛。

钛醇盐高温水解法的特点是：

1)水解、缩聚和晶化都在高温下连续进行；

2)水与钛醇盐可按化学计量比进行水解反应。用该方法制备的纳米二氧化钛具有比表面积大、热稳定性高(指晶粒和比表面积在高的锻烧温度下没有显著变化，以及相组成在高的缎烧温度下保持不变等)、结晶度高、表面缺陷低等优点。

1.4 纳米TiO2的应用

纳米TiO2 能处理多种有毒化合物，包括工业有毒溶剂、化学杀虫剂、木材防腐剂、染料及燃料油等，迄今详细研究过的有机物达100种以上。此外，TiO2光催化技术也被用于无机污染物的处理[13]。利用光催化法在柠檬酸根离子存在下，可以使Hg2+被还原成Hg而沉积在TiO2表面；此法同样适用于铅。TiO2光催化可能降解的无机污染物还有氰化物，SO2、H2S、NO和NO2等有害气体也能被吸附在TiO2表面，在光的作用下转化成无毒无害物质。

1.4.1空气净化

当前解决空气污染主要有物理吸附法(活性炭)、臭氧净化法、静电除尘法、负氧离子净化法等，但是这些方法自身都有着难以克服的弊端，所以一直难以大范围地推广使用。与其相比，利用纳米光催化TiO2净化空气则有如下优点：降解有机物的最终产物是CO2和H2O，没有其它毒副产物出现，不会造成二次污染；纳米微粒的量子尺寸效应导致其吸收光谱的吸收边蓝移，促进半导体催化剂光催化活性的提高；纳米材料比表面积很大，增强了半导体光催化剂吸附有机污染物的能力[14]。

利用纳米光催化TiO2治理空气污染已经得到广泛应用，国内外都出现了很多产品，例如纳米空气净化器、中央空调净化模块、光触媒涂料等，市场前景非常广阔。

1.4.2水处理

传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。

研究表明，纳米TiO2能处理多种有毒化合物，可以将水中的烃类、卤代烃、酸、表面活性剂、染料、含氮有机物、有机磷杀虫剂、木材防腐剂和燃料油等很快地完全氧化为CO2、H2O等无害物质[15]。此外，纳米TiO2在降解毛纺染料废水、有机溴（或磷）杀虫剂等到方面也有一定效果。无机物在TiO2表面也具有光化学活性。例如，废水中的Cr6＋具有较强的致癌作用，在酸性条件下，TiO2对Cr6+具有明显的光催化还原作用。在pH 值为2.5的体系中，光照1h 后，Cr6+被还原为Cr3+。还原效率高达85% [16]。迄今为止，已经发现有3000多种难降解的有机化合物可以在紫外线的照射下通过纳米TiO2或ZnO而迅速降解，特别是当水中有机污染物浓度很高或用其他方法很难降解时，这种技术有着明显的优势。德国开发出了利用阳光和光催化剂对污水进行净化的装置，每小时可净化100-150升水。

虽然利用纳米光催化TiO2进行水处理目前还未得到广泛应用，但我们可以看出它未来的应用前景必将非常广阔。

1.4.3杀菌消毒

纳米TiO2的杀菌作用是利用光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧类与细菌细胞或细胞内的组成成分进行生化反应，使细菌头单元失活而导致细胞死亡，并且能使细菌死亡后产生的内毒素分解[17]。研究表明：将TiO2涂覆在陶瓷、玻璃表面，经室内荧光灯照射1小时后可将其表面99％的大肠杆菌、绿脓杆菌、金黄色葡萄球菌等杀死。

目前国外新型无机抗菌剂的开发与抗菌加工技术进展较快，已经形成系列化产品，其中TiO2高催化活性纳米抗菌剂是市场前景最好的品种。日本在TiO2光催化抗菌材料研究与应用起步较早，日本东陶等多家公司开发的光催化TiO2抗菌瓷砖和卫生洁具已经大量投放市场[18]。日本将今后发展的目光投向欧美国际抗菌产品市场，预计海外市场将是其国内市场的10倍，他们也极其关注中国抗菌塑料近年来的迅猛发展，纷纷抢滩中国市场[19]。

在当今世界性的环境污染问题越来越受到各国政府重视的情况下，利用纳米材料进行环境治理已经成为各国高科技竞争中的一个热点[20]。在纳米光催化方面日本、美国等国家均投入巨资开展研究与开发工作，并大力推动其产业化，目前已有多种产品出现，其中所使用的纳米光催化材料绝大多数都是TiO2[21]。

1.5 国内外纳米TiO2的现状

20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场。1.5.1 国外纳米TiO2的现状

20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点[22]。

由于纳米TiO2在催化及环境保护等方面具有广阔的应用前景，并可用于日用产品、涂料、电子、电力等工业部门，因此，纳米TiO2展现出巨大的市场前景。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产[23]。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。

近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态[24]。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术[25]；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技术：⑥纳米TiO2产业化成套技术[26]。由于以上条件的制约，使得纳米TiO2的应用和发展受到限制。

1.5.2 我国纳米TiO2的现状

在国外普遍开展了纳米TiO2的制备和应用技术开发，并取得了阶段性成果，我国纳米TiO2的研究在“九五”期间形成了高潮，据了解，进行纳米粉体制备技术研究的科学院所和高校几乎都在进行和进行过纳米TiO2的研究[27]。重庆大学应用化学系是国内最早(1989年)研究纳米TiO2的单位，华东理工大学、中国科学院上海硅酸盐研究所是目前研究技术较全面、报道最多的单位[28]。

第三篇：纳米TiO2处理环境污染问题（模版）

纳米TiO2处理环境污染问题

随着科技的快速发展，环境污染问题日益严峻，而半导体TiO2的多相光催化技术可以降解污染物，这引起了人们的广泛关注。多相光催化技术是指在反应体系中加入一定量的光敏半导体材料，同时结合一定能量的光照射，使光敏半导体在光的作用下激发产生电子—空穴对，吸附在半导体材料表面上的溶解氧、水分子等与电子—空穴对作用，产生 OH、O2等氧化性极强的自由基，与预催化的分子发生一系列的反应。

在多相光催化技术中，光敏半导体材料是关键影响因素。常用在研究中的半导体材料有TiO2、CdS和SnO等，但由于TiO2化学性质稳定，耐酸碱性好，无毒性，来源丰富成本低，催化效率高，对难降解有机物如苯系化合物、氯系有机物等的处理都非常有效，使得TiO2成为当前最有应用潜力的一种光催化剂。目前用作光催化剂的TiO2主要有两种晶体结构：锐钛矿型、金红石型。纳米光催化技术由于具有极强的化学氧化性，可以与污染物发生彻底反应而且不产生二次污染。近年来，TiO2作为耐久的光催化剂在环保、卫生等领域得到了广泛的应用。下面，我们从三个方面了解TiO2的光催化性质。

一、纳米TiO2的光催化反应原理

TiO2是一种宽禁带半导体，其能带结构是不连续的，通常情况下是由一个充满电子的低能级价带和一个空的高能级导带构成，它们之间被禁带隔开。TiO2的禁带宽度为3.2eV，半导体的光吸收阈值λg与禁带宽度Eg有着密切的关系，其关系式为：

λg（nm）=hc/Eg(eV)式中h为普朗克常数，h=4.13 566 743*10-15eV.s , c为光速，λg为光的波长。

上式也可写成λg（nm）=1240/ Eg（eV）当用波长小于或等于387.5μm的光照射时，纳米半导体材料TiO2的活性被激发，电子（e-）就会被从价带（VB）激发到导带（CB），留下空穴（h+）在价带，从而形成电子—空穴对，二者之间也存在着复合的可能性，如果缺少适当的电子和空穴的俘获剂，激发态的导带电子和价带空穴又能重新合并，使光能以热能或其它形式散发掉。价带的空穴是良好的氧化剂（+1.0~3.5V），而导带的电子是良好的还原剂（+0.5~1.5V），大部分有机物的降解反应不是直接就是间接地利用了空穴氧化剂的能量。当TiO2表面存在合适的俘获剂或表面存在缺陷时，电子（e-）和空穴（h+）的重新复合就会得到抑制，在它们复合前，就会在TiO2的表面发生氧化还原反应。空穴具有很大的反应活性，与表面吸附的水（H2O）或OH-离子反应形成具有强氧化性的羟基自由基（·OH）。电子与空气中的氧气（O2）发生还原反应，生成超氧离子（·O-2），还可以催生羟基自由基。具体反应原理如图1所示：

图1 二氧化钛光催化原理图

二、纳米TiO2在环境污染治理中的应用

由于光催化作用持久、化学性质稳定、无二次污染、对人体和环境无害、资源丰富价格低等优点，使纳米TiO2光催化技术的研讨成为环境工作者关注的一个焦点。

（1）分解污水中的有机物

随着工业的不断发展，环境污染日益加重，高浓度有毒有机污染物成为水处理过程中的难点。光催化技术作为较突出的一种高级氧化技术。同传统的化学氧化法相比，纳米TiO2具有氧化能力强、氧化过程无选择性、反应彻底等优点。

工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中有大量的有毒、有害物质。美国环保局公布了114种有机污染物，其中有60多种是卤代有机物，这些污染物用生物处理技术是难以消除的。而采用光催化技术，在人造光源的激发下，实现了水中三氯甲烷、四氯化碳、四氯乙烯的高效氧化；油类及其衍生物引起的污染问题近年来不断出现，这些物质具有较长的半衰期，是对环境危害最大的一类物质。目前清除水面油污主要采用机械清除法、吸附法、油层分散法、生物法及膜技术等。但是这些技术一般效率不高，操作时间长，费用高，容易造成二次污染等。而采用溶胶—凝胶—浸涂法制备的锐钛型纳米TiO2漂浮空心玻璃球载体，连续光照后能使甲苯被完全去除，正十二烷去除率达93%，（正十二烷、甲苯是石油中的代表物），加入微量的H2O2还可以大大提高二者的光催化效率，目前正在进行光催化去除石油中其它组分的情况研究，为实际应用奠定基础；农药中大部分是有机磷、有机氯和含氮化合物，对于农药的降解研究一般以细菌或真菌为降解媒介，也有采用稀释生化法处理的，但往往会造成二次污染。而纳米光催化技术降解农药的优点是不会产生毒性更强的中间产物，这是许多方法无法比拟的。在降解含农药的污水中，为提高氧化效率，一般可投加H2O2和在通氧条件下进行。在光照时间足够长的情况下，可以完全氧化敌敌畏、有机磷。如果在制备载体时使用的是TiO2/ SiO2纳米复合材料，其对敌敌畏的光降解速率明显优于纯TiO2；染料是在纺织、印染、塑料等行业经常使用的一类材料。对于染料废水活性污泥法并不是很有效的方法。通常认为活性炭吸附和化学絮凝是比较有效的方法。但这些方法只是把染料从液相转移到固相中，还需要进一步处理，否则会造成二次污染。而在用普通TiO2粉末对染料进行脱色、降解研究中，发现纳米TiO2对提高染料的脱色率和降解率有一定的效果。（2）水体中重金属离子的光催化降解研究

金属类无机物与有机污染物存在着完全不同的性质，它不可能发生结构的变化，对于污染水体的重金属，最环保的方法是回收重金属，否则很容易造成二次污染。Cr是工业废水中常见的有毒重金属，目前主要通过添加化学还原剂的形式进行处理，以使其毒性降低，但此方法存在一些明显的不足之处。利用纳米TiO2、ZnO为光催化剂，在400W紫外线下，初始浓度为100mg/L的Cr在90min光催化还原—沉淀处理后，迅速降为0.47mg/L，完全达到国家废水排放标准，其中ZnO的催化效果优于TiO2。含氰废水的排放对环境是一个严重威胁，利用纳米TiO2光催化氧化法可降解NaCN水溶液，能使其降解为无毒无害的CNO。汞是重金属污染水的另一个主要成分，不论是无机汞还是有机汞都具有极强的神经毒累计效应，纳米TiO2光催化技术被认为是从污染水中去除汞的有效方法之一。在大量的研究后可总结为：光催化技术对金属离子，尤其是以低浓度存在的金属离子可以有效去除，Pb2+、Mn2+、TI2+、Co2+在Pt-TiO2表面的沉积速率大小为Pb2+ > Mn2+> TI2+> Co2+，溶解氧可以提高四者的沉积速率。这一研究结果为低含量金属

-的回收提供了一定的理论基础。（3）大气及室内环境净化

国内外专家研究表明，继“煤烟型污染”、“光化学烟雾污染”之后，人们已经进入到以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。包括大型百货商场、学校教室、办公室、住宅等在内的室内空气质量，尤其是装修入住后对人员造成的身体损害案例，近年来成了人们的焦点。

利用光催化技术净化空气具有以下优点：广谱性、经济性、杀菌消毒等特点，其效果都是单独采用紫外光技术和过滤技术所无法比拟的。

大气污染物主要是指汽车尾气与工业废气带来的氮氧化物和硫氢化物。将含纳米TiO2的涂料涂在建筑物外表面，其光催化作用可以将这些气体氧化成蒸气压低的硝酸和硫酸，伴随着降雨过程而除去，从而达到降低大气污染的目的。

纳米TiO2光催化技术在清除挥发性有机物上具有独到之处，能将许多难于用其他方法降解的污染物最终达到无机化，一般生成二氧化碳和水，以及相应的化合物。例如在紫外线照射下通过室内喷涂吸附能力强的锐钛型纳米TiO2涂层可以分解装修过的房间存在的大量游离甲醛、苯系物、酮类等有机挥发物，吸烟产生的乙醛、家庭灰尘产生的硫醇等有机异臭，还可分解油份和有机的表面污染。当在纳米TiO2光催化剂掺杂金属离子能改变晶格结构，可使其在可见光照射下也能发挥作用。采用溶胶—凝胶法制得含Fe3+的纳米TiO2光催化剂，以活性炭为载体，在波长254nm的紫外光下对甲醛进行吸附和光催化氧化，甚至可以达到97%以上的净化效率。纳米TiO2光催化剂具有很强的杀菌能力，对大肠杆菌、绿脓杆菌、葡萄球菌、化脓菌等具有很强的杀灭能力，其超强的氧化能力可破坏细胞的细胞膜使细胞组分流失造成细菌死亡。

三、提高纳米二氧化钛的光催化活性

纳米二氧化钛的光催化性也存在一些不足，如化学反应速度慢，催化效率低等。为了更好的利用其光催化性，可以从以下几个方面进行改善：（1）加氧化剂。

常用氧化剂有O2、H2O等，当反应体系中加入氧化剂后，催化剂表面的电子被氧化剂俘获，降低了空穴与电子复合几率。（2）控制晶型。二氧化钛催化剂有3种晶态，其中锐钛矿型和金红石型具有催化作用。其中锐钛型的催化活性比较高。研究发现混晶催化剂的活性比单纯的锐钛矿催化剂更好，原因是锐钛矿型晶体的表面生长成薄的金红石型结晶层，能有效地促进锐钛矿型晶体中电子与空穴的电荷的分离。因此考虑研究晶型的混合是提高纳米二氧化钛活性的一个方向。（3）掺杂金属离子。

纳米TiO2中掺杂不同价态的金属离子后，半导体催化性质可以被提高。从化学观点看，金属离子对电子的争夺，减少了TiO2表面光生电子和光生空穴的复合，从而使TiO2表面产生更多的，提高了催化剂的活性。但实际上只有少数过渡金属离子能阻碍电子空穴的复合，具有一定的选择性有些金属离子掺入反而会降低光催化活性。

（4）纳米二氧化钛与其他半导体化合物复合。

不同的半导体的禁带宽度不同，将不同的半导体进行复合造成能级交错，可以有效地扩大其对太阳光中可见光部分的吸收。因此近几年来，二元半导体复合在光催化方面的应用得到了普遍的研究，已研制出大量的光催化性能优良的复合半导体材料。

（5）表面贵金属沉积法。

半导体表面贵金属沉积被认为是一种可以捕获激发电子的有效改性方法。在目前研究中，Pt、Pd、Ag、Au、Ru等是较常用的惰性金属，其中Pt最为常用。在催化剂表面担载Pt等贵金属相当于在TiO2的表面构成一个以TiO2及惰性金属为电极的短路微电池，TiO2电极所产生的h+将液相中的有机物氧化。而e-则流向金属电极，将液相中氧化态组分还原，从而降低e-和h+的复合率，提高了催化剂的反应活性。

综上所述，纳米TiO2作为一种新型光催化材料，具有催化活性高、化学稳定性好、价格低廉、使用安全及制备的薄膜透明等特点，在处理环境污染问题上具有广阔的应用前景。

第四篇：碳纳米材料的性能及应用作业.

碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝

摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。

一.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60(零维 b.碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c.碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。

由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。

碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。

二.碳纳米材料的性能

2.1 C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。

(1超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。

(2光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

(3功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。

(4新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应, 因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。

2.2 碳纳米管的结构性能及应用

由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。

碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方(hcp , a = 0.24568nm, c = 0.6852nm, c / a = 2.786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。

碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有

关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。

(1纳米电子学方面

作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.(2信息科学方面

碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示

器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作.(3能源方面

由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组, 在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出.(4材料方面应用

碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”,是复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。

(5制备纳米材料的模板

一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的

纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。

(6催化剂载体

纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。

(7复合材料增强相

碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

(8纳米器件

纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。

纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置

电压下,即可获得0.1~1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。

2.3 石墨烯的主要性质及应用

石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110--130 GPa[6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前

景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统 IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。

(1锂离子电池中的应用

石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。

(2计算机芯片材料中的应用

马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其 n 型场效应晶体管和 P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为

微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的 1G(109的计算机快1000 倍.(3减少纳米元件噪声领域的应用

普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则 Hogue’Slaw”.因此,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司[25-27J宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。

三、总结

随着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来,碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。

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第五篇：纳米材料的应用

纳米材料的应用

纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。

近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；

近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。根据国际纳米材料研究的发展趋势，我国建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。