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纳米材料的结构特点与性质、应用范围与前景
佛山陶瓷刁润丽 / 时间:2021-10-13 15:04:55

贤集网10月8日讯:摘要:纳米材料特殊的纳米结构,使它具有了很多优异的性能,扩大了其应用范围。综述了纳米材料在水处理、果蔬保鲜、绿色建筑、农药残留及电化学等领域的广泛应用,对应用中的问题进行了分析,并对纳米材料广阔的发展前景进行了展望。

1、前言

纳米技术是21世纪的三大发明之一,它是主要研究在0.1—100nm结构范围内,用单个的分子、原子来制备产物的技术[1-3]。纳米材料是一类超细材料,具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能。基于此,纳米材料引起了研究者们的广泛关注,而纳米技术的发展又为材料、化学、物理、仿生学及生物等学科提供了新的发展空间[4,5]。

2、纳米材料的结构特点与性质

2.1纳米材料的结构

纳米材料是处于亚稳态的物质,比表面积大,粒径小,表面原子比例高,具有独特的电子运动状态和表面效应,表现出宏观量子隧道效应和量子尺寸效应,这些结构上的特点使纳米材料具有很多优良的特性[6]。

2.2纳米材料的性质

1)化学反应性质:纳米材料的粒径为纳米级,性质非常活泼,有很强的化学反应活性。如在空气中纳米级的金属材料可以发生氧化反应,剧烈的伴随有发光燃烧;45 nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧得TiO2晶粒。

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2)催化性质:纳米粒子比表面积大、表面原子配位不足等性质增加了表面的活性中心,从而使其具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙,可直接加入反应体系,不必外加载体。另外,纳米粒子催化剂的表面比较粗糙,可以扩大反应面积。

3)光催化性质:纳米材料可以吸收光能,使其氧化还原能力增强,从而有利于催化反应。粒径越小,光催化性越强,反应速度越快。

此外,纳米材料还具有比热大、塑性好、硬度高、导电率高和磁化率高等优异的特性。随着研究的进一步深入,相信还会有更多优异的性能呈现出来[7]。

3、纳米材料的应用

3.1水处理

水是生命之源,随着发展,在用水量增加的同时水资源的应用范围也越来越广泛,导致水危机事件多发。因此,急需对污水进行处理,使其资源化,从而提高利用效率。但是目前,传统的处理技术满足不了发展的需求。活性炭一方面对极性小分子的吸附能力较弱,另一方面由于含有较多的微孔,不能吸附大的有机分子。纳米吸附剂由于比表面积大,活性质点和表面原子多,孔径易控,表面性质优异,因此吸附性远高于传统吸附剂[8]。

碳纳米管已作为吸附剂应用于水处理领域,并展示了对有机物优良的吸附效果。碳纳米管比表面积大并且具有憎水性,因此在水相中可以形成疏松多孔的聚集体,加之它与小分子之间具有疏水作用、氢键作用、π-π作用、静电作用、共价作用等多样作用,因此它对各种尺寸的有机分子吸附能力都很强,使它们之间可以充分相互作用[9]。

3.2果蔬保鲜

果蔬口感好且营养丰富,但是它易腐烂,且地域性和季节性明显,导致贮藏难、运输损失大,因此果蔬保鲜就成了迫切需要解决的问题。目前已进行了很多研究,效果明显。果蔬保鲜通常有化学保鲜、物理保鲜及生物保鲜三种方法,这些方法的不足之处越来越凸显。纳米材料力学性能优异、阻隔性好,将其用到果蔬保鲜中可以弥补常用保鲜方法的不足,加上纳米材料对人体无毒无害,因此是很有潜力的新型保鲜剂。

纳米硅氧化物是白色、无味、无毒的粉末状无机纳米材料,它能够在贮藏过程中使果蔬保持硬度。张洪等[10]对采摘后的桃涂抹壳聚糖-纳米SiOx的复合膜,从而抑制了相关酶(PPO、POD等)的活性,使桃子的保鲜期得到了延长。吴雪莹等[10]在脐橙上涂抹壳聚糖与纳米SiO2涂膜,使多聚半乳糖醛酸酶(PG)、果胶甲酯酶(PEP)和纤维素酶(cellulase)的活性受到抑制,原果胶的降解速度受到抑制,从而提高了果实的硬度,延长了贮藏期。纳米SiOx涂膜也可以延长其它果蔬如圣女果、哈密瓜等的保鲜期。

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3.3绿色建筑

绿色建筑指在建筑的生命周期内,为人们提供健康、高效和舒适的空间的同时,最大限度地节约各种资源,与自然和谐共生。绿色建筑技术注重高效、低耗、环保、经济、优化与集成,是人与自然、现在与未来之间的利益共享,是可持续发展的建设手段。绿色建筑的内涵最终要借助建筑材料体现出来。纳米材料因优异的物理化学性质成为绿色建筑的首选材料,社会、经济效益显著,应用前景广阔。

纳米材料可以提高混凝土的强度、增加其耐久性,从而改善建筑物的使用寿命。其中的纳米SiO2、CaCO3矿粉主要与水泥浆体中的Ca(OH)2反应,可以改善混凝土的韧性、强度、耐久性和抗渗性能。纳米金属氧化物如TiO2、Fe3O4等可以改善水泥基的力学性能和微观结构,还有电磁屏蔽的作用,增加混凝土的智能性。碳纳米管及纳米纤维加入大电阻的混凝土中,在增加混凝土强度和韧性的同时能减少裂纹,还可以实现自监测与自诊断应力和损伤情况。Yu等[11]在水泥中添加碳纳米管,质量分数分别为0.1%、0.5%,结果显示材料的电容特性和电阻特性增加明显。

3.4农药残留

目前,关于环境和食品方面农残污染的报道非常之多,农药残留是人类健康的一个重大隐患。为改善这一种状况,制定了严格的农残限量标准,还不断开发快速、灵敏和准确的农残快速检测技术。纳米材料具有优异的物理、化学等特性,将其和其他技术结合应用到农药残留物方面,可优化样品的前处理和检测。

纳米四氧化三铁(Fe3 O4)显示超顺磁性,可以吸附富集小分子农药,将其从基质中分离出来。冯钰锜等[12]通过热溶法制得纳米四氧化三铁,从植物油中用液微萃取-磁分离法提取极性有机磷,15 min就完成了整个前处理过程,解吸附150μL有机溶剂制备得到样品。Li等[12]首先合成(化学共沉淀法)纳米四氧化三铁,粒径为10~20 nm,然后对蔬菜中101种农药进行萃取,并与不加磁性纳米粒的结果做对比,研究结果证明了磁纳米粒具有优良的吸附纯化性能。

3.5电化学

碳纳米材料由于比表面积大、机械性能和导电性能良好,在电化学领域获得了研究者们的青睐,在理论和实践方面取得了很大的进展。

燃料电池是通过电极反应将化学能转换成电能的装置,由阴、阳两极和电解质构成。燃料电池能量转换效率高而且环保,所以在通信、分立电源及交通等诸多领域获得了广泛的应用。碳纳米材料可以提高燃料电池的稳定性和能量密度,降低成本。Kakati等[13]在CNTs表面分散多孔的SnO2,水热条件下,使得催化剂CNTs/SnO2大大增加对Pt/Ru纳米粒子的吸附,使燃料电池的催化性能得到提高。Sebastian等[13]将导电性好且多孔的碳纳米纤维添加到燃料电池中,结果显示了良好的催化性能。

虽然在电化学领域碳纳米材料取得了一定的进展,但目前仅限于实验室阶段,还没有实现大规模的实际应用,因为还有一些问题有待于解决,如碳纳米材料易团聚,生物分子不稳定,过程繁琐,电极稳定性差,实验结果不能重现等。

4、结语

纳米材料是一种非常重要的新型材料,应用前景良好,在多个领域引起了广泛的关注。随着研究的日益深入,相信还会有更多方面的发展和应用展现出来。