一维纳米材料及其性能

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1、一维纳米材料，由于其具有沿一定方向的取向特性使其被认定为定向电子传 输的理想材料，是可用于电子及光激子有效传输的最小维度结构，如场效应晶体 管、共振隧道二极管、等纳米电子器件。此外，一维纳米材料所具有的独特结构 也使其在陶瓷增韧技术、微机电系统等领域发挥出独特优势。一维纳米结构因集 成了良好的电学、光学和化学性能而成为研究热点，并被广泛应用于各个领域。纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗 粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作 为催化剂的基本条件。最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减 小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不

2、平的原子台阶，这就增加了化学反应的接 触面。有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。尽 管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是 它的应用前途方兴未艾。催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率； 二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化 分解和脱水反应;三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。 近年来科学工作者在纳米微粒催化剂的研究方面已取得一些结果，显示了纳米粒 子催化剂的优越性。高镀酸饺粉可以作为炸药的有效催化剂，以粒径小于0.3mm 的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为

3、主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效 率是传统镰催化剂的10倍，超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂。超细的Fe， Ni与y -Fe2O3混合轻烧结体可以代替贵金属而作为汽车尾气净化剂;超细Ag粉， 可以作为乙烯氧化的催化剂；超细Fe粉，可在QH6气相热分解(1000-11000C) 中起成核的作用而生成碳纤维。Au超微粒子固载在Fe2O3, CO3O4, NiO中，在 70 C时就具有较高的催化氧化活性。近年来发现一系列金属超微颗粒沉积在冷冻的饶腔基质上，特殊处理后将具 有断裂C-C键或加成到C-H键之间的能力。例如Fe和Ni微颗粒可生成Mx-CyHz 组成的准金属有机粉末，该粉末对催化

4、氢化具有极高的活性。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Tiq，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

5、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、Y -A12O3，Y -Fe2O3等纳米粒聚合体或 者是分散于载体上。1. 金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例 如纳米粒子姥在经氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯短双链上往 往与尺寸较大的官能团-短基相邻接，致使双链很难打开，加上粒径为l nm

6、的铑 微粒，可使打开双链变得容易，使氢化反应顺利进行。表11.1列出了金属佬粒 子的粒径对各种短的氢化催化活性的影响。粒径愈小，氢化速度愈快。2. 带有衬底的金属纳米粒子催化剂这种类型催化剂用途比较广泛，一般采取化学制备法，概括起来有以下几种： 浸入法。将金属的纳米粒子(v2nm)均匀分散到溶剂中，再将多孔的氧化物衬 底浸入该溶剂中使金属纳米粒子沉积在上面，然后取出。这种方法仅适用于衬底 上含有少量纳米粒子的情况。例如用这种方法制备的n-Rh/A12O3中铑的含量仅 占1 %。离子交换法。这种方法的基本过程是将衬底(沸石、SiO2等)表面处理使活 性极强的阳离子(如H+，Na+等)附着在表面上

7、，再将衬底放入含有复合离子的溶 液中。复合阳离子有Pt(NH3)2+4, Rh(NH3)5C12+等，由于发生了置换反应，即 衬底上的活性阳离子取代了复合阳离子中的贵金属离子，这样在衬底的表面上形 成了贵金属的纳米粒子。吸附法。把衬底放入含有Rb6(CO)6, Ru3(CO)l2等聚合体的有机溶剂中，将 吸附在衬底上的聚合体进行分解，还原处理，就在衬底上形成了粒径约1 nm的 金属纳米粒子。蒸发法。这种方法是将纯金属在惰性气体中加热蒸发，形成纳米粒子，直接 附着在催化剂衬底上。此方法的优点是纯度高、尺寸可控。醇盐法。将金属的乙二醇盐与含有衬底元素的醇盐混合，首先形成溶胶，然 后使其凝胶化、熔烧

8、、还原形成了金属纳米粒子，并分散在衬底材料中。需指出的是，有的纳米粒子合金的活性远远高于常规催化剂的活性，它们对 高分子的氢化还原和聚合反应有良好的催化作用。例如：n-Co-Mn/SiO2，对乙烯 的氢化反应显示出高活性；n-Pt-Mo/沸石在丁烷氢化分解反应中其催化作用远远 高于传统催化剂。金属纳米粒子催化剂还有一个使用寿命问题，特别是在工业生产上要求催化 剂能重复使用，因此催化剂的稳定性尤为重要。在这方面金属纳米粒子催化剂目 前还不能满足上述要求，如何避免金属纳米粒子在反应过程中由于温度的升高， 颗粒长大还有待进行研究。3、半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重

9、视，原因在于这种效应在 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。近年来，人 们一直致力于寻找光活性好、光催化效率高、经济价廉的材料，特别是对太阳敏 感的材料，以便利用光催化开发新产品，扩大应用范围。所谓半导体的光催化效 应是指：在光的照射下，价带电子越迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的泾基 电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将醋类变化如下：酯一 醇一 醛 酸一co2，完成了对有机物的降解。具有这种光催化半导体的能隙既不能太 宽，也不能太窄，对太阳光敏感的具有光催化特性的半导体能隙一般为1.93.1 eV。纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于：由于量子尺寸效

10、应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变 得更负，而价带电位变得更正。这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原 能力。纳米半导体粒子的粒径小，光生载流子比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内迁 移到表面，有利于得或失电子，促进氧化和还原反应。常用的光催化半导体纳米粒子有Ti02（锐铁矿相）、Fe2O3, CdS，ZnS，PbS， PbSe，ZnFe2O4等。主要用处：将在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

11、人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳 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情景。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合溶液中提取H2。近年来，纳米TiO2的光催化在污水有机物降解方面得到了应用。为了提高 光催化效率，人们试图将纳TiO2组装到多孔固体中增加比表面，或者将铁酸铮 与TiO2复合提高太阳光的利用率。利用准一维纳米Ti乌

12、丝的阵列提高光催化效 率已获得成功，有推广价值，方法是利用多孔有序阵列氧化铝模板，在其纳米柱 形孔洞的微腔内合成锐铁矿型纳米TiO2丝阵列，再将此复合体系粘到环氧树脂 衬底上，将模板去后，在环氧树脂衬底上形成纳米TiO2丝阵列。由于纳米丝表 面积大，比同样平面面积的TiO2膜的接受光的面积增加几百倍，最大的光催化 效率可以高300多倍，对双酚、水杨骏和带苯环一类有机物光降解十分有效。4. 纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能 密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热 燃烧效率，金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，提高燃烧的效率，因 此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火 箭燃料作助燃剂。