从纳米材料的性质看其在化工中的应用

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1、从纳米材料的性质看其在化工中的应用秘军林张桐斌王芳（天津金牛电源材料有限责任公司，天津300400）摘要：本文从涂料方面、催化方面、化工合成方面和医药方面探讨了纳米材料在化工生产中的应用。纳米材料是近年来发展起来的一种新型高性能材料，认识这种材料的性能和拓展其应用领域，是许多材料工作者非常感兴趣的课题。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成，其晶粒中原子的长程有序排列和无序

2、界面成分的组成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子达15%～50%，且原子排列互不相同，界面周围的晶格原子结构互不相关，使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态[1]。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他

3、固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子。纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性和极强的吸波性等，从而使纳米材料纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一

4、定的应用，并显示出它的独特魅力。　1.在涂料方面的应用纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。纳米二氧化钛是20世纪80年代末发展起来的主要纳米材料之一。纳米二氧化钛的光学效应随粒径而变，尤其是纳米金红石型二氧化钛具有随角度变色效应，在汽车面漆中，是最重要和最具有发展前途的效应颜料。将纳米二氧化钛添加在轿车用金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的

5、色彩效果。纳米二氧化钛除提高轿车漆装饰效果外，由于其具有吸收紫外线的效应，可明显提高轿车漆的耐候性。在建筑外墙涂料中，添加适量纳米二氧化钛，也可以将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级。随着现代工业的迅猛发展，环境污染问题日益严重，特别是氮化物及硫化物对大气的污染，已成为亟待解决的环保问题。近年来，许多研究表明，光催化技术在环境污染物治理方面有着良好的应用前景。邱星林等人用纳米二氧化钛配制成光催化净化大气环保涂料，结果表明，利用纳米二氧化钛光催化氧化技术制成的环境净化涂料对空气中NOx净化效果良好，

6、在太阳光下，降解率高达97%。同时还可降解大气中的其他污染物，如卤代烃、硫化物、醛类、多环芳烃等。[2] 在涂料中加入纳米静电屏蔽材料，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。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

7、屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。2.在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。纳米粒子作为光催化剂，有着许多优

8、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