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1、纳米材料在化工中的应用摘要：纳米材料具有特殊的物理和化学性质，它的发展给物理、化学、材料、生物、医药等学科领域带来新的发展前景。近年来，纳米材料的应用越来越广泛，在化工生产领域也得到了很大的生产应用，并且显现出了它独特的魅力。纳米在化工中的应用有催化剂、涂料，以及其他方面的化工领域，在本文中，我将着重讲述纳米材料在催化剂中的发展和应用。关键词：纳米材料；催化剂；光触媒；纳米二氧化钛1、前言纳米材料的最初被发现是在1984年，由德国物理学家格莱特（Grant）首次成功制得只有几个纳米大小的超细粉末，包括各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。格莱特（Grant）还发现，不管金属、无机和有机化
2、合物本身带有的色彩如何，一旦被制成超细纳米粉末，我们用肉眼看到的一律都是黑色。经过不断研究，他终于得出结论：当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（110m左右）时，它对光的反射能力就变得非常低，大约低到小于1%，因此，我们肉眼看见的粉末才为黑色。因为纳米材料的在性质上的变化着实让人大吃一惊，令人对此产生浓厚的研究兴趣。在这之后，著名的美国阿贡国家实验室制备出了一种纳米金属，它能够使金属从导电体变成绝缘体。又有人发现用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品不会那么容易就摔破。纳米材料不仅有独特的物理性质，在化学性质上的独特个性，逐渐改变了科学技术中的一些传统概念。直到当今21世纪，纳米材料依然是人们
3、备受瞩目的一种高新技术产品。纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。纳米材料在当今社会使用十分广泛。在物理、化学、材料、生物、医药等方面，纳米材料有着至关重要的作用。其在化工领域内的生产应用也十分普遍，尤其在催化剂、涂料以及其他生物制药，医学仪器上，也有着广泛的应用。2、在化工中的应用领域2.1在催化剂中的应用催化剂在许多化学化工领域内有着举足轻重的作用
4、，它可以控制反应时间，反应速度，并且还能提高反应速度。大多数的传统催化剂不仅催化效果不佳，而且其制备全是凭借着经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效应难以提高，而且对环境也造成了一定程度的污染。纳米粒子的表面活性中心多，可以大大弥补传统催化剂在催化方面的不足。纳米粒用作催化剂，可以大幅度地提高催化反应速率，很好地控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米粒用作催化剂，其反应速度是一般催化剂反应速度的1015倍。纳米微粒用作催化剂，应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半
5、导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO2SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合
6、物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。纳米催化材料由于其特有的量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等性能，显现出许多特有性能，在催化领域的应用为广大催化工作者开拓了一个广阔空间，国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂，因此纳米材料在催化领域的应用日益受到重视。许多发达国家都相继投入大量人力、财力开展纳米粒子作为高性能催化剂的研究，如美国的Nano中心、日本的Nano ST均把纳米材料催化剂的研究列为重点开发项目。我国对纳米材料的研究也给以高度重视，国家“863”计划、“973”计划大力支持纳米材料及纳米催化剂的研究，已取得了可喜
7、成果。目前，国内外纳米催化剂的制备和应用逐步拓展到催化加氢、脱氢、聚合、酯化、化学能源、污水处理等方面。2.1.1光触媒催化剂光催化剂最常见的应用当属于光触媒的应用。1972年，人们首先用氧化钛单晶体作为光催化剂分解水制备氢气。当时正值能源危机，利用太阳能制备氢气来缓解能源危机有重大的实用意义，立即引起学术界的广泛关注。1977年有人用氧化钛作光催化剂氧化CN-为OCN-，开创了用光催化剂处理污水的先河。进入20世纪90年代后，纳米技术的发展，使提高光量子产率成为可能。光触媒催化剂的反应原理：纳米半导体材料通过光照，把吸收到的光能转变成化学能，促进化合物（有机化合物和无机化合物）的合成和降解，
8、这个反应过程就叫做光催化。光触媒的应用现在多用于电器等，最常见的就是我们在电器卖场看见的利用光触媒原理生产的光触媒环保捕蚊器，经过光能，化学能的转换，分解可以吸引蚊子的有机化合物，进而达到捕杀蚊子，保护幼儿及成人不受蚊虫叮咬的目的。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿
9、白色纳米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取H2。2.1.2纳米金属粒子催化剂纳米金属粒子作为催化剂已成功地应用到加氢催化反应中。以粒径小于0.3微米的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可以使有机物加氢的效率比传统镍催化剂高10倍。金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃
10、料中使用，还可以掺杂到高能密度的燃料，如炸药中，以增加爆炸效率，或作为引爆剂使用。将金属纳米粒子和半导体纳米粒子混合掺杂到燃料中，可以提高燃烧的效率。目前，纳米铝粉和镍粉已经被用在火箭燃料中作助燃剂，每添加约10%质量分数超细铝或镍微粒，每克燃料的燃烧热可增加1倍。纳米Ti在可见光的照射下对碳氢化合物也有催化作用，利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层，有很好的保洁作用，日本东京已有人在实验室研制成功自洁玻璃和自洁瓷砖。这种新产品的表面有一薄层纳米TiO2，在光的照射下任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下由纳米TiO2的催化作用，使这些碳氢化合物物质
11、进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米TiO2光致催化作用给人们带来了福音，高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖的保洁都可以很容易地进行。日本已经制备出保洁瓷砖，装饰了一家医院的墙壁，经使用证明，这种保洁瓷砖有明显的杀菌作用。目前，关于纳米粒子的催化剂有以下几种，即金属纳米粒子催化剂，主要以贵金属为主，如Pt、Rh、Ag、Pd，非贵金属还有Ni、Fe、Co等。第二种以氧化物为载体，把粒径为110nm的金属粒子分散到这种多孔的衬底上。衬底的种类很多，有氧化铝、氧化硅、氧化镁、氧化钛、沸石等。第三种是碳化钨、-A12O3、-Fe2O3等纳米粒聚合体或者是分散于载体上。贵金属纳米粒子作为催化剂
12、已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。2.1.3纳米金属氧化物催化剂纳米金属氧化物催化剂不同于纳米金属粒子催化剂，纳米金属粒子多为利用金属本身的性质，然后针对这一性质作很多方面的应用。纳米金属氧化物催化剂则是利用金属氧化物的性质，应用到各种新型催化剂中，例如：已报道的纳米金属氧化物催化剂有铜铬氧化物、Fe3O4、TiO2和CeO2等。纳米金属氧化物催化剂还有单元及复合之分。单元纳米金属氧化物催化剂有SiO2，Al2
13、O3，CeO2，SO42-/ ZrO2，ZnO，TiO2等，纳米复合金属氧化物催化剂有Ce-Zr-O，Cu-Zn-O，Cu-Ce-O等。用超细的Fe3O4微粒作为催化剂可以在低温下将CO2分解为C和H2O，AlTschope等人用惰性气体冷凝法制备的金属氧化物CeO2催化CO氧化和SO2的还原反应，使反应活性、选择性和热稳定性显著增强。2.1.4纳米催化剂的制备方法目前制备纳米微粒的方法很多，无论采用哪一种方法，制备的纳米粒子必须达到如下要求：表面光洁；粒子形状、粒径及粒度分布可控；粒子不易团聚；易于收集；产出率高。制备纳米催化剂的常用方法有以下两种：(1) 气相法：包括气体冷凝法、活性氢-熔
14、融金属反应法、溅射法、混合等离子法、化学气相沉积法等等。其中化学气相沉积技术(CVD)是一种较好的化学方法，用途较广，制成的纳米粒子纯度高、粒度分布均匀。(2)液相化学合成法：常用的有水热法、沉淀法、溶胶-凝胶法、离子交换过程、喷雾法、溶剂挥发分解法、微乳液法等等。这类方法简单，操作方便，条件温和，产率高；同时可根据需要添加合适成分，精确控制化学组成，设计和组装产品的结构，不仅可制备单一成分的纳米材料，而且还可合成多组分的复合纳米材料。但是，制成的纳米材料含有杂质，易团聚，粒度不均匀等。2.1.5纳米催化剂的应用在环保领域中，纳米级稀土钙钛复合氧化物作为汽车尾气净化催化剂表现出很好的应用前景。
15、由于催化剂的催化活性与其比表面积成正比，因此将稀土钙钛矿复合氧化物制成纳米粒子可以提高其比表面积，从而显著提高其对汽车尾气的净化催化效率，这为开发高效价廉的汽车尾气催化剂指明了一条新的制备思路。纳米级稀土钙钛复合氧化物作催化剂还可用于有机污染物的催化降解。把Al2O3制成到纳米级，可使其表面积大、孔容大、孔分布集中和表面活性中心多，可以解决催化剂高的催化活性、高选择性和高反应性，而且，氧化铝晶相温度范围广、吸附能力强，因此被广泛应用于汽车尾气净化、石油炼制、加氢脱硫等方面的催化剂及其载体。纳米TiO2光催化剂具有良好的化学稳定性和抗磨损性能、制备的薄膜透明、安全廉价、应用范围广、无污染等优点，
16、成为目前最具有开发前途的绿色环保型催化剂之一，目前TiO¬2光催化的主要应用领域在于降解污染物。另外，纳米氧化锌也是一种很好的光催化剂，在环境保护和治理方面也显示出了广阔的应用前景。纳米氧化锌可以制成抗菌、除臭和消毒产品。纳米氧化铝、纳米稀土、纳米过渡金属和纳米贵金属均存在着纳米材料在催化方面的优越性，它们之间存在的不足有一定的互补性，所以可以将这些组分按一定的比例混合，并适当加入少量其它添加剂制成汽车尾气净化催化剂具有深远的意义。在能源方面，生物柴油含硫量极低，芳香烃含量少，含氧量高，十六烷值高，闪点高，废气逸出少，燃烧后放出的废气中微粒子(PM)、总碳氢化物(HC)和一氧化碳含量少
17、，具有环境友好及健康效应。乌桕是我国特有的木本油树种，因种子含油量高，被列为我国四大木本油料之一。陈文伟等以乌桕梓油（简称桕油）为原料在纳米磁性固体催化剂下制备生物柴油，得到主要成分是C16:0、C18:0、C18:1、C18:2和C18:3的脂肪酸甲酯，证明新型纳米磁性固体催化剂催化桕油制备生物柴油是可行的。2.2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。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，
18、使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以
19、达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米Si
20、O2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。2.3在其他化工领域的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提
21、高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可
22、以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。3、总结21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人
23、类健康和环境保护等重大问题。 21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。4、 参考文献1徐友龙.纳米科技J.西安纳米科技学会，陕西省电子学会纳米技术专业委员会，ISSN 1812-1918，2004年01期.2王艳涛.纳米材料在化工生产方面的应用D.平顶山工业职业技术学院，2011.4.3唐元洪，裴立宅，赵新奇.纳米材料导论M.湖南大学出版社，2011.6.01版.4作者不详.纳米化工纳米材料在化工行业中的应用分析D.S.l.2011.
