纳米功能材料学习教案

1、纳米纳米(n m)功能材料功能材料第一页，共14页。 纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“21“21世纪最有前途的材料世纪最有前途的材料”。纳米技术研究在。纳米技术研究在0.1100nm0.1100nm尺度尺度范围范围(fnwi)(fnwi)内物质具有的特殊性能及其应用。广义的纳米材内物质具有的特殊性能及其应用。广义的纳米材料是指在三维空间中，至少有一维达到纳米尺度范围料是指在三维空间中，至少有一维达到纳米尺度范围(fnwi)(fnwi)，或以其为基本单位所构成的材料。纳米材料具有辐射、吸收、或以其为基本单位所构成的材料。纳米材料具

2、有辐射、吸收、杀菌、吸附等特性，众多研究表明这些新特性将在环境保护领杀菌、吸附等特性，众多研究表明这些新特性将在环境保护领域产生深远的影响。域产生深远的影响。纳米材料(n m ci lio)初了解第1页/共14页第二页，共14页。纳米技术在治理纳米技术在治理(zhl)有害气体方面的应用有害气体方面的应用 1.有害气体的来源有害气体的来源 空气中超标的二氧化硫空气中超标的二氧化硫(SO2)、一氧化碳、一氧化碳(CO)和氮氧化物和氮氧化物（NOC）是影响人类健康的有害气体，纳米材料和纳米技术的）是影响人类健康的有害气体，纳米材料和纳米技术的应用能够应用能够(nnggu)最终解决产生这些气体的污染源

3、问题。工最终解决产生这些气体的污染源问题。工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等，由于含有硫的化合物在燃烧时会产生由于含有硫的化合物在燃烧时会产生S02气体，这是气体，这是S02的最的最大污染源。大污染源。 2.有害气体有害气体(qt)的治理的治理（1）纳米钛酸钴(CoTi03)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以55-70nm的钛酸钴半径作为催化活体多孔硅胶或 A1203陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01，达到国际标准。 （2）复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其它任

4、何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染问题。 第2页/共14页第三页，共14页。作用(zuyng)原理 以活性碳作为载体、纳米 Zr0.5 Ce0.5 O2，粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其表面存在Zr4+Zr3+及Ce4+Cr3+，电子可以在其三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性，再加上纳米材料比表面大、空间(kngjin)悬键多、吸附能力强，因此它在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，使它们转化为对人体和环境无害的气体-二氧化碳和氮气。而更新一代的纳米催化剂，将在汽车发动机汽缸里发挥催化作

5、用，使汽油在燃烧时就不产生CO和NOx，无需进行尾气净化处理。 （比较复杂，大致了解即可）第3页/共14页第四页，共14页。带来的效用(xioyng) 1.开发替代燃料或研究用于控制汽车尾气对大气污染材料，对净化环境具有重要的意义。用纳米复合材料制备(zhbi)与组装的汽车尾气传感器，通过汽车尾气排放的监控，可及时对超标排放进行报警，并通过调整合适的空燃比，减少富油燃烧，达到降低有害气体排放和燃油消耗的目的。纳米稀土钛矿型复合氧化物对汽车尾气所排放的NO、CO等具有良好的催化转化作用，可以替代昂贵的重金属催化剂用作汽车尾气催化剂。2.用纳米Fe2O3作为(zuwi)催化剂，经纳米材料催化的燃料

6、中硫的含量小于0.01%，不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也减少了因为能源消耗所带来的环境污染问题，而且使废气等有害物质再利用成为可能。3.纳米TiO2经光催化产生的空穴和形成于表面的活性氧膜化能与细菌细胞或细胞内组成成分进行生化反应，使细菌头单元失活而导致细胞死亡，并且使细菌死亡后产生的内毒素分解，即利用纳米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5。在医院的病房、手术室及生活空间安放纳米TiO2光催化剂可具有杀菌、除臭作用。第4页/共14页第五页，共14页。纳米技术在污水处理纳米技术在污水处理(w shu ch l)方面的应用方面的应用 污水

7、中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用(yngyng)很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。 1.1.处理无机污染废水处理无机污染废水 污水中的重金属对人体的危害很大，重金属的流失也是资源的浪费。污水中的重金属对人体的危害很大，重金属的流失也是资源的浪费。纳米粒子能对水中的重金属离子通过光电子产生很强的还原纳米粒子能对水中的重金属离子通过光电子产生很强的还原(hun (hu

8、n yun)yun)能力。如纳米能力。如纳米TiO2TiO2能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附能将高氧化态汞、银、铂等贵重金属离子吸附于表面，井将其还原于表面，井将其还原(hun yun)(hun yun)为细小的金属晶体，既消除了废水的为细小的金属晶体，既消除了废水的毒性，又回收了贵重金属。毒性，又回收了贵重金属。第5页/共14页第六页，共14页。2.2.处理有机污染废水处理有机污染废水 大量研究表明纳米大量研究表明纳米TiO2TiO2等作为光催化剂，在阳光下催化氧化水中的等作为光催化剂，在阳光下催化氧化水中的有机污染物，使其迅速降解。至今为止己知纳米有机污染物，使其迅速降解。至今为止

9、己知纳米TiO2TiO2能处理能处理8080余种有毒余种有毒污染物，例如污染物，例如PintarPintar等在间歇式反应器中纳米等在间歇式反应器中纳米Ru/TiO2Ru/TiO2作催化剂，对酸性作催化剂，对酸性或碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机总碳或碱性牛皮纸漂白废水进行光催化降解，废水中的有机总碳TOCTOC的去除率的去除率可达到可达到99.6%99.6%，并使废水完全脱色。经光催化湿空气氧化处理后的工厂废，并使废水完全脱色。经光催化湿空气氧化处理后的工厂废水对弧菌的毒性水对弧菌的毒性(d xn)(d xn)的实验表明，用该方法处理后的工厂漂白废水的实验表明，用该方法处理后的

10、工厂漂白废水完全可以进一步生物降解。完全可以进一步生物降解。 3.3.自来水的净化处理自来水的净化处理 新型纳米级净水剂新型纳米级净水剂77的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂Al2O3Al2O3的的10201020倍，能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，有效地除去倍，能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭净化装置，有效地除去(ch q)(ch q)水中的铁锈、泥沙以及异味等。再经过由带有纳米孔径的处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以水中的铁锈、泥沙以及异味等。再经过由带有纳米孔

11、径的处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以100%100%除去除去(ch q)(ch q)水中的细菌、病毒，得到高质量的纯净水。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。水中的细菌、病毒，得到高质量的纯净水。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。第6页/共14页第七页，共14页。在其它(qt)环保领域的应用 1 1 噪声控制噪声控制 飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达上百分贝，容易对环境造成噪声污染。当

12、飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达上百分贝，容易对环境造成噪声污染。当机器设备等被纳米技术微型化以后，其互相撞击机器设备等被纳米技术微型化以后，其互相撞击(zhungj)(zhungj)、磨擦产生的交变机械作用、磨擦产生的交变机械作用力将大为减少，噪声污染便可得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表力将大为减少，噪声污染便可得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表面形成永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，大大降低机器设备运转时的噪声，又能延面形成永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，大大降低机器设备运转时的噪声，又能延长设备的使用寿命。长设备的使用寿命。2 2 固体废

13、物处理固体废物处理 纳米技术及纳米材料应用于城市固体垃圾处理，主要有两个方面纳米技术及纳米材料应用于城市固体垃圾处理，主要有两个方面(fngmin)(fngmin)：一是可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末，除去其中的异一是可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末，除去其中的异物，成为再生原料回收；二是利用纳米物，成为再生原料回收；二是利用纳米TiO2TiO2催化技术可以使城市垃圾快速降解，催化技术可以使城市垃圾快速降解，其速度可达到大颗粒其速度可达到大颗粒TiO2TiO2的的1010倍以上，从而缓解大量城市垃圾给城市环境带来的倍以上，从而缓解大量城市垃圾给城市环境

14、带来的压力。压力。第7页/共14页第八页，共14页。3 防止电磁辐射防止电磁辐射 近年来电磁场对人体健康的影响问题已经成为一个新的研究热点。近年来电磁场对人体健康的影响问题已经成为一个新的研究热点。在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，通过在墙内加入在强烈辐射区工作并需要电磁屏蔽时，通过在墙内加入(jir)纳米材纳米材料层或涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。中科院理化料层或涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁波辐射性能。中科院理化所利用纳米技术研究出了新一代手机电磁屏蔽材料，可以实现手机信所利用纳米技术研究出了新一代手机电磁屏蔽材料，可以实现手机信号抗干扰能力，同时大大降低电磁波辐射。号抗干

15、扰能力，同时大大降低电磁波辐射。4.4.照明工程方面的应用照明工程方面的应用 火力发电排放的火力发电排放的CO2CO2、SO2SO2、烟尘悬浮物等会引起温室效应、酸雨和、烟尘悬浮物等会引起温室效应、酸雨和环境污染，通过照明节电可以带来巨大的社会、经济和生态效益。在环境污染，通过照明节电可以带来巨大的社会、经济和生态效益。在照明工程中，最理想的节电措施是充分利用太阳光来照明，利用一些照明工程中，最理想的节电措施是充分利用太阳光来照明，利用一些纳米材料纳米材料(n m ci lio)(n m ci lio)的光致发光特性是可行的办法，白昼吸收的光致发光特性是可行的办法，白昼吸收自然光并贮存起来，晚

16、上再直接把光射到需要的地方。这从多孔硅光自然光并贮存起来，晚上再直接把光射到需要的地方。这从多孔硅光致发光现象得到了验证。致发光现象得到了验证。第8页/共14页第九页，共14页。神奇(shnq)的纳米TiO2 由于纳米TiO2除了具有(jyu)纳米材料的特点外，还具有(jyu)光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。 1 1降解降解(jin ji)(jin ji)空气中的有害有机物空气中的有害有机物 光催化剂可以很好地降解甲醛、甲苯等使内气体污染物，其中纳米TiO2的降解效率最好，将近达到100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的

17、光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。 2 2降解有机磷农物降解有机磷农物 以前70年代发展起来的农药品种占我国农药产量的80，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。 第9页/共14页第十页，共14页。3.3.催化降解技术处理毛纺染整废水催化降解技术处理毛纺染整废水 利用纳米利用纳米TiO2TiO2的催化降解特性，可处理毛纺染整废水，具有省资、的催化降解特性，可处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示

18、出良好的应用示出良好的应用(yngyng)(yngyng)前景。前景。 4 4石油开采运输石油开采运输 在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖湖(jingh)(jingh)和海洋水面，用纳米和海洋水面，用纳米TiO2TiO2可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。 5 5垃圾降解垃圾降解 用纳米用纳米TiO2TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2TiO2的的1010倍以上，从而倍以上，从而(cng r)(c

19、ng r)解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。 第10页/共14页第十一页，共14页。6除臭 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(mj)场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。 7自洁效应 纳米TiO2由于其表面(biomin)具有超亲水性和超亲油性，因此其表面(biomin)具有自清洁效应，即其表面(biomin)具有防污、防雾、易洗、易干等特点。如将TiO2玻璃镀膜置于水蒸气中，玻璃表面(biomin)会附着水雾，紫外线光照射后，表面(biom