纳米材料在能源环保领域的应用-1

工业污染现代工业的发展在为人类创造巨大财富的同时给生态环境带来了严重的污染：工业污染对空气及水污染治理的关键在于:污染物降解过程本身也是环保的，即不能产生有害人体和环境的副产物。纳米材料在环保与能源领域的应用实例纳米光催化抗雾玻璃：抗雾、灭菌功能，还可长时间保持洁净，适合用于窗户、镜面和外墙玻璃；纳米冰箱卫生卡:清除异味，保鲜功效；纳米技术制成的各色衣服、领带、帽子：防水、防污、免清洗，透气性好；纳米光催化技术生产的瓷砖、碗具：自动分解油渍，除臭、杀菌和自清洁；纳米生物活性功能纤维制成的内衣、床上用品等：抗菌、抗紫外线、负离子功能，促进人的血液循环，增强新陈代谢，保持经络平衡；纳米技术制备的负离子功能建筑材料：具有促进人体健康的功能。纳米材料在环保与能源领域的应用实例一种可以用来代替汽车中的金属构件的纳米粒子增强型复合材料。这种纳米复合材料的广泛使用，可能使汽油的燃烧量每年减少15亿kg，二氧化碳的排放量每年减少50亿kg。具有小于1nm微孔的结晶材料的催化剂的使用，形成了一个每年超过300亿美元的产业。纳米技术用于处理污水。具有孔径在10～100nm范围的有序间隙多孔材料正在广泛地应用于清除超微细污染物，还可将污水中的贵金属金、钯、铂等完全提炼出来，变废为宝。传统的污水处理技术效率低，成本高，又存在二次污染问题。纳米材料在环保与能源领域的应用实例用粘土和聚合物的纳米粒子替代轮胎中的炭黑，是一项生产环保型、耐磨损轮胎的新技术。新型电池、使用人工光合作用的清洁能源、量子阱式太阳能电池、氢燃料的安全贮存等。纳米硅、非晶态硅在光电材料中的应用。纳米TiO2由于其表面同时具有超亲水性和超亲油性，因此具有自清洁效应，即具有防污、防雾、易洗、易干等特点。如将TiO2镀膜玻璃置于水蒸气中，玻璃表面会附着水雾，紫外线光照射后，表面水雾消失，玻璃重又变得透明。在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上TiO2薄膜，可防止镜面结雾。自清洁纳米材料的防雾效果：超双亲性界面材料纳米材料在环保领域的应用实例疏水/疏油双疏表面的设计：红色代表疏水层，绿色代表疏油层衣服纤维红外屏蔽纤维抗紫外线辐照纤维抑菌除臭纤维纳米材料在能源领域的应用实例7.1纳米光催化材料7.2纳米负离子材料7.3纳米储氢材料纳米材料在环境能源领域的应用7.1纳米光催化材料7.1.1纳米粒子的光催化原理7.1.2纳米材料在空气净化中的应用7.1.3纳米材料在抗菌方面的应用7.1.4纳米材料在污水处理中的应用7.1.5纳米材料在抗紫外线方面的应用7.1.6纳米环保复合涂料是指半导体材料吸收外界辐射能激发产生导带电子（e-）和价带空穴（h+），进而与吸附在催化剂表面上的物质发生一系列化学反应的过程。7.1.1纳米粒子的光催化原理这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。什么是半导体材料的光催化？理论上讲,只要半导体吸收的光能(hν)不小于其带隙能,能足以激发产生电子和空穴,该半导体就有可能用作光催化剂。应用进展：半导体TiO2光催化材料的研究引起了国际上化学、物理学和材料学等领域科学家的广泛关注，在纳米半导体TiO2材料的制备、结构、性能及光催化理论等方面做了大量的工作，进行了有关纳米半导体TiO2材料在污水处理、空气净化以及微生物净化等方面的研究，发现其在环境保护方面有广阔的应用前景，是21世纪利用太阳能净化环境的又一技术革命。大规模应用的主要难题：：光催化材料的发展情况最早：1972年日本的Fujishima和Honda在Nature杂志上报道了二氧化钛（TiO2）电解水的现象。提高光催化反应的光量子产率，以及在可见光条件下实现光催化晶粒尺寸减小到一定程度后，光能隙蓝移，对应于更高的氧化-还原电位，才有更强的氧化-还原能力；晶粒尺寸减小后光生载流子迁移到晶粒表面的时间大大缩短，有效地减少了光生电子和光生空穴的体相复合。使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、空穴到达表面的数量多，化学反应活性高。有代表性的光催化剂：TiO2、ZnO、ZnS、CdS、PbS、Fe2O3、WO3等。为什么纳米颗粒的半导体才具有光催化效应？为什么纳米TiO2是研究中采用最广泛的光催化剂？光催化过程的7个步骤：（1）由光子形成带电体；（2）带电体重新结合释放能量；（3）发生价带空穴的氧化反应；（4）发生导带电子引起的还原反应；（5）进一步的热和光催化反应，产生矿物化产品；（6）在悬挂的表面键捕捉一个导带电子生成Ti（IV）（7）捕捉表面钛团簇上的价带和空穴。纳米半导体的光催化原理污染物一般来自6个方面：空气污染、水污染、固体污染、放射性污染、噪声污染、热污染7.1.2纳米材料在空气净化中的应用光催化技术是解决日益严重的水、空气和土壤等环境污染的一条新途径，由于具有较小的颗粒尺寸，而且微粒表面形态随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成凹凸不平的原子台阶，从而起到下面三方面的作用：1）提高反应速度，增加反应率；2）决定反应路径，良好的选择性；3）降低反应温度。将多种有机污染物完全矿化为CO2、H2O及其它无机小分子或离子；将高毒性的CN-氧化为CNO-，CrO4+还原为Cr3+，降低毒性；将气相体系中的氮氧化物分解并将有机污染物氧化。例如：CXHY+（x+（y-z）/4）O2xCO2+yH++zCl-+（y-z）/2H2OHv，TiO2在紫外光作用下，TiO2产生的e-和h+除了可以直接与反应物反应外，还可与吸附在催化剂表面的其它电子给体或受体反应，生成活性氧自由基并有杀菌的功能：大气污染：纳米材料与纳米技术可从两方面产生影响纳米材料可应用于汽车尾气的超标报警器及净化器上，减少有害气体的排放：1.纳米材料的使用可提高汽车尾气传感器的气体敏感度和响应度，可通过加入添加剂、制成过滤膜或透气膜以及控制材料微细结构，提高对尾气的灵敏度、稳定性和选择性；2.超细的Fe、Ni与Fe2O3混合烧结体替代贵金属作尾气净化器，可降低成本，提高效率。应用于石油提炼工艺中的脱硫工艺，从根源上解决污染源问题：1.纳米材料可提高脱硫工艺的效率。半径为55~70nm的CoTiO3和30~60nm的ZnTiO3粉可作脱硫催化剂，经催化的石油中硫的含量小于0.01%,达到国际标准。2.纳米助烧催化剂可以使煤充分燃烧，不产生SO2气体。3.复合稀土化合物的纳米粉体如铈酸锆有极强的氧化还原性能，可彻底解决尾气中的CO和NOx，从而无需进行尾气净化处理。纳米材料与纳米技术可从两方面降低大气污染7.1.3纳米材料在抗菌方面的应用-------纳米抗菌复合材料细菌、霉菌作为病原菌对人类和动植物有很大的危害，影响人们的健康，甚至危急生命；微生物还会引起各种工业材料、食品、化妆品、医药品等分解、变质、劣化、腐败，会带来重大的经济损失。据美国《WHO》杂志1996年统计，1995年全世界死亡5200万人，其中因细菌传染引起的死亡为1700万人。可见细菌等致病性微生物是人类健康的主要杀手之一。日本自1996年发生全国范围的病原性大肠菌O－157感染事件后，科研人员与企业联手，积极开发了一系列无机银系抗菌微粉（3m～10m），广泛应用于公共场所、卫生医疗、居民住宅。甚至凡是能与手接触的日常生活用品、生产用具、儿童玩具等都使用了抗菌材料，以防止有害细菌的感染。材料抗菌的机理1.干扰细胞壁的合成；2.可损伤细胞膜；3.抑制蛋白的合成；4.干扰核酸的合成。一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。无机纳米复合抗菌材料制备纳米级抗菌复合材料是在纳米级粉体的基础上包覆功能材料复合而成的，按照纤维及抗菌材料的纺丝加工、细度、分散性等要求，抗菌粉体的制备工艺可分为以下几个步骤：选核心颗粒：采用化学合成方法（包括液相合成法和气相合成法）合成晶体结构为锐钛型的无机纳米级粉体，制备过程中注意控制颗粒尺寸和表面吸附性能。功能材料组分的包覆：利用纳米材料表面吸附效应将功能材料Ag+等进行吸附和离子交换。表面改性：对纳米粉体进行表面改性，解决粉体与高分子材料的结合、相容性及在载体中的分散性。水域工业污染污水处理：将污水中通常含有的有毒、有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等物质从水中去除。7.1.4纳米材料在污水处理中的应用纳米材料在污水处理中的应用1.（1）纳米技术可将污水中的贵技术完全提炼出来，变废为宝；2.（2）纳米净水剂具有很强的吸附和絮凝能力，是普通净水剂效率的10~20倍；3.（3）通过纳米粒子的光催化作用，将有毒水污染物完全矿化或氧化成无毒化合物；有机物在光催化体系中的反应:在溶氧条件下，在液相中可能引发上述一系列过程,产生多种高反应活性的自由基，其中以·OH、HO2·等自由基氧化性最强，可以氧化难以被生物转化的各种有机物并使之矿化。自由基反应可使用半导体光催化处理的污染物包括：烷烃、脂肪烃、脂肪羧酸、酚醛、芳香族羧酸、染料、卤代烃、农药、表面活性剂、重金属离子等。随着大气环境的变化，环境的污染，地球的臭氧层正在急剧的受到破坏。又有研究者最近发现，近几年太阳黑子活动频繁，且有加剧趋势，因此人类正面临着日益增强的紫外线辐射，人类的健康正日益受到威胁。过度的紫外线辐射是造成皮肤病、红斑癌、皮肤癌、角膜炎、白内障等威胁人类健康疾病的环境因素。因此具有抗紫外功能纺织品及其日常防护用品的开发及其产业化是非常有意义。纳米二氧化钛另一功能五、纳米材料在抗紫外性方面的应用抗紫外性的原因:光催化活性的本质源于对紫外线的吸收。二氧化钛抗紫外线的特点：二氧化钛对不同波长的紫外线有不同的阻隔机理：对UVA以散射为主，对UVB以吸收为主；不同粒径二氧化钛的防晒范围也不同，颜料级二氧化钛(粒径大于0.1μｍ)光散射性较强，以阻挡UVA为主；超细二氧化钛(粒径小于0.1μｍ)即纳米二氧化钛对光的散射相对较弱，防晒性以吸收UVB为主，且粒径越小，对UVB射线的吸收越强。•纳米TiO2和纳米ZnO等为无机成分,有很高的化学稳定性、热稳定性、非迁移性、无味、无毒、无刺激性,使用安全,还兼具杀菌除臭作用。而且它们的紫外线防护能力强,与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比,在紫外区的吸收峰更高。更为可贵的是它们还是广谱屏蔽剂,对UVA、UVB都有屏蔽作用,不像有机紫外线防护剂那样只单一的对UVA或UVB有吸收。它们还能透过可见光,加入化妆品使用时皮肤白度自然,不像颜料级TiO2和ZnO,不能透过可见光,会造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。•由于具有这些优越性能，它们很快登上世界紫外线防护材料的舞台，并逐步取代了一些有机紫外吸收剂。1993年10月，在美国召开的第四届紫外线防护剂会议上，就重点讨论了纳米TiO2和ZnO防紫外线辐射的效率问题。据日本近年来对日本销售的37种方晒化妆品进行分析，发现大多数含纳米TiO2或纳米ZnO。•总之，无机纳米紫外线防护剂是性能非常优越的物理屏蔽型紫外线防护剂有着很大的市场前景。尽管目前已有部分应用，但是在制备和表面处理中还存在许多亟待解决的问题。虽然如此，但纳米紫外线防护剂诱人的前景将吸引越来越多的人投入研究中来。六、纳米环保复合涂料•随着人们生活水平的提高和环保意识的增强，建筑、装修等问题越来越受到人们的重视，具有环保功能的“绿色涂料”日益成为发展的目标。环保涂料作为一种新型涂料，除了具有通常涂料的各种功能外还有许多新型的光净化功能和乳化度、抗菌、防污、除臭、耐老化等新型功能。1纳米涂料简单介绍•所谓纳米涂料一般是由纳米材料与有机涂料复合而成的，因此更科学的讲应称为纳米复合涂料（Nano-compositeCoating）。普遍认为，必须满足两个条件才可能称为纳米涂料：1.至少