納米材料特性及其在環(huán)境保護領域的應用

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1、納米材料特性及其在環(huán)境保護領域的應用摘要：納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。納米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術,它將成為眾多技術的創(chuàng)新動力。本文概述了納米材料的形態(tài)、特殊性質以及納米材料的應用，以使大家更清楚地認識納米材料,并了解其在環(huán)保領域的應用現(xiàn)狀與前景。關鍵詞：納米;納米技術;前景;環(huán)境保護1納米材料概述著名的諾貝爾化學獎獲得者Feyneman在20世紀60年代曾預言如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性就會看到材

2、料的性能產生豐富的變化他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。納米材料研究是目前材料科學研究的一個熱點納米材料是納米技術應用的基礎其相應發(fā)展起來的納米技術則被公認為是21世紀最具有前途的科研領域所謂納米科學是指研究納米尺寸范圍在0.1100nm之內的物質所具有的物理化學性質和功能的科學而納米科技其實就是一種用單個原子分子制造物質的科學技術它以納米科學為理論基礎，進行制造新材料新器件研究新工藝的方法。1984年德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gl

3、eiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結得到納米微晶塊體，從而使納米材料進入了一個新的階段。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。從材料的結構單元層次來說，它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結構互不相關，從而構成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結構狀態(tài)。2、納米顆粒的基本性征2.1表面效應球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比,其體積與直徑的

4、立方成正比,故其比表面積(表面積/體積)與直徑成反比。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的,若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒(直徑為2.1~3μm)進行電視攝像,實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài),隨著時間的變化會自動形成各種形狀(如立方八面體、十面體、二十面體等)的晶型,它既不同于一般固體,又不同于液體,是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下,表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài),尺寸大于10μm后才看不到這種顆粒結構的不穩(wěn)定性,這時微顆粒具有穩(wěn)定的結構狀態(tài)。超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣

5、中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層,確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性,金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料。2.2小尺寸效應隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言,尺寸變小,同時其比表面積亦顯著增加,從而產生特殊的光學、熱學、磁學、力學、聲學、超導電性、介電性能以及化學性能等一系列新奇的性質。3、納米材料的形

6、態(tài)3.1納米顆粒型材料應用時直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料被稱為第4代催化劑的超微顆粒催化劑,利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率,例如,以粒徑小于0.3μm的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要分制成的催化劑可使有機物氯化的效率達到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍;超細的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水,超細鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用,從而生成碳纖維。3.2納米固體材料納米固體材料通常指由尺寸小于15nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型,或再經一定熱處理工序后所生成的致密型固體

7、材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面,如5nm顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界,原子的擴散系數要比大塊材料高10141016倍,從而使得納米材料具有高韌性。如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級,又將恢復通常陶瓷的特性,因此可以利用納米陶瓷的范性對陶瓷進行擠壓與軋制加工,隨后進行熱處理,使其轉變?yōu)橥ǔＬ沾?或進行表面熱處理,使材料內部保持韌性,但表面卻顯示出高硬度高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發(fā)展的趨勢是超薄型(厚度僅為幾μm),為了保證均質性,組成的粒子直徑應為厚度的1%左右

8、,因此需用超微顆粒為原材料。3.3納米顆粒膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復合薄膜,通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復合靶材,在基片上生成復合膜,當兩組分的比例大致相當時。就生成迷陣狀的復合膜,因此改變原始靶材中兩種組分的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài),從而控制膜的特性。對金屬與非金屬復合膜,改變組成比例可使膜的導電性質從金屬導電型轉變?yōu)榻^緣體顆粒膜材料有諸多應用例如作為光的傳感器,金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內,光的吸收效率與波長的依