纳米化学在环境中的应用

1、纳米化学在环境中的应用纳米化学在环境中的应用纳米化学与生物学研究所纳米化学与生物学研究所王栋海纳米技术纳米化学纳米计量学纳米加工技术纳米电子学纳米物理学纳米生物学纳米材料在节能方面的应用1.扩展晶体硅太阳能电池的吸收光谱 在常规晶体硅太阳能电池中，紫外光被硅过滤掉或吸收掉，并转化为潜在的有害热量，而不产生电力。为了利用紫外光，美国依利诺斯州立大学研究人员将一定尺寸的硅纳米颗粒分散在异丙醇中，再分散在太阳能电池表面，随着醇的蒸发，纳米颗粒膜就留存在太阳能电池表面。研究表明，将尺寸为1nm的硅纳米颗粒高质量膜与硅太阳能电池组合在一起，可使紫外光谱范围的电力输出功率提高60%，同时可减少热量和延长太

2、阳能电池寿命。纳米技术在晶体硅太阳能电池中的应用2.增强晶体硅太阳能电池的抗反射能力 纳米晶体镀膜（N a n o C r y s t a lC o a t）技术可以通过利用纳米晶体在硅片上的镀膜以省略昂贵的制绒流程。镀膜主要的材料为纳米晶体的聚合物，由于材质的特殊性及由原来表面三角型改由多边型状纹理，纳米晶体镀膜可以全方位吸收太阳光，因而等离子体化学气相沉积（P E C V D）工艺流程，甚至包括太阳能跟踪系统也可以被替代。 这种达到纳米级的镀膜是一种采用聚氨酯材料全新的防反射涂层。此种镀膜具备高热传导特性，可以有效驱散电池片表面热量。纳米晶体镀膜最大的作用是防止反光并增加透光性。3.硅基多

3、界面太阳能电池 保持晶体硅电池的p - n结结构不变，对其发射区结构作一些改进，使具有较高能量的光子通过俄歇碰撞在发射区实现多电子空穴对激发，可以提高入射太阳光谱的产率和太阳电池的转换效率。 据某研究报道，在发射区的单晶硅层中插入局部改性成非晶的纳米层，形成一种称之为“M I N D”的多界面结构（Multi-interface Nanostructured Device）。此实验结果表明，与品质优良的传统结构单晶硅电池相比较，新型硅基多界面器件在太阳光波长从400 1300n m范围内都出现了光电流值的增加。4.新型纳米导线 银导线普遍被用作晶体硅太阳能电池的导线，但是由于银稀少且昂贵，为了

4、降低晶体硅太阳能电池的成本，需要寻找廉价的导线作为银导线的替代品。近来，美国杜克大学的一个化学研究小组成功地完善了铜纳米导线的制造方法，此举有望在不久的将来让铜纳米导线的商业化生产成为现实。 纳米铜导线十分细微而透明，可取代银纳米材料。制备方法为：在水溶液中生长铜纳米导线，通过向水溶液添加不同的化学物质，能够控制原子形成不同的纳米结构。在制作铜纳米导线的过程中，当铜出现结晶时，它首先形成微小的“种子”，随后每个“种子”生长成单独的纳米导线。由于铜纳米导线生长在水溶液中，同时它具有柔性，因此铜纳米导线有望以滚动的生产方式在溶液中镀层，如同报纸的印刷过程。1 、纳米光催化材料纳米TiO2 纳米光催

5、化材料有以下的特点：降解没有选择性，能使有害物质完全分解，不会产生二次污染可以在常压下操作，反应条件温和，降低操作难度，不需要大量消耗除光以外的其他物质，可以降低能量、原材料的消耗而达到除毒、脱色、去臭的目的。光催化剂具有廉价、无毒、稳定以及可以重复利用等特点。 常见的纳米光催化材料有: TiO2、ZnO 、BiVO4、Al2O3等。其中纳米TiO2活性高，热稳定性好，成本低，安全无毒，是现在研究最广，最被看好的材料。纳米材料在水处理中的应用 在紫外光照射下，纳米TiO2表面会产生氧化能力极强的羟基自由基( OH) ，使水中的有机污染物氧化降解为无害的CO2和水。 目前纳米TiO2主要的应用领

6、域有化工废水、染料废水、农药废水、含油废水、造纸废水等有机废水的处理。 TiO2光催化材料的稳定性很好，但是量子效率低，主要利用的是仅占太阳光辐射总量4%左右的387. 5nm 以下的紫外光。因此，在大规模应用时，考虑到成本，基建可行性等因素，扩大TiO2光催化响应光谱范围，可行的方法，也是最具挑战的课题就是TiO2改性。目前在研究中的方法有：表面光敏化、表面处理、复合薄膜、聚合物改性、炭黑造孔等，通过引入杂质使TiO2晶体表面产生缺陷，增加表面活性中心的数量，从而提高催化活性。2、纳滤( NF) 膜 纳滤( Nanofitration，简称NF) 是20 世纪80年代中期发展起来的一种介于反

7、渗透与超滤之间的新型膜分离过程。NF 膜孔径在1nm 以上，一般在1-2nm；对溶质的截留性能介于反渗透( RO) 与超滤( UF) 膜之间; RO 膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，但NF 膜只对特定的溶质具有高脱除率。相比于反渗透( RO) ，NF 具有设备投资低，能耗低的优点。 Sahinkaya 等确定了棉纺厂废水的生化法纳滤联合工艺，纳滤能够使COD 的去除为80% 100% ，脱盐率约65% ，产水达到回用标准。 纳滤膜目前主要的应用领域有：饮用水的处理，其中最主要的应用是水的软化处理，水的淡化处理。 Hilal研究了纳滤操作条件和不同截留分子量的纳滤膜对海水的截留性能，实验表明

8、，纳滤能够降低部分含盐量。 工业废水的处理，如纺织废水、食品工业废水、制革废水、电镀废水等。3、碳纳米管( Carbon Nanotubes，CNTs) 1991 年日本NEC 公司的饭岛纯雄首次发现了一种晶形碳素材料，被命名为碳纳米管。碳纳米管具有独特的纳米管状微观结构及其大比表面积、丰富孔隙结构、独特导电性能等特性，因此在水处理材料领域受到关注，逐渐被用作吸附材料、催化剂和吸附剂的载体材料以及催化材料，并得到了广泛的应用。3. 1 吸附材料 碳纳米管成为良好的吸附材料的基础是其大的比表面积及其丰富的孔隙结构，目前制备的碳纳米管的比表面积一般在15 - 400 m2 /g。其用作吸附材料也是

9、目前碳纳米管最重要的研究方面。3. 2 载体材料 碳纳米管的机械强度大，化学性质稳，而且具有大的比表面积和独特的一维纳米结构，吸附剂和催化剂均可在其表面高度分散，因此碳纳米管可以用作良好的载体材料。3. 3 催化材料 碳纳米管是电子的良导体，可以有序地导出电子，因此，将碳纳米管与光催化活性材料复合制备复合光催化材料，则碳纳米管可降低复合材料中的电子积累，从而降低空穴与电子的复合几率，提高光催化活性。4、纳米零价铁 零价铁有以下特性: 比表面积大; 电负性大，电极电位E0( Fe2 + /Fe) = 0. 44 V; 具有很强的还原性，在一定pH 下，还原生成的Fe3 + 会生成氢氧化物，具有吸

10、附和絮凝作用。而纳米零价铁除了具备以上的性质外，具有更大的比表面积，反应活性和吸附性。 在水处理中，纳米零价铁的主要应用领域有: 含氯有机废水的处理、洗涤剂废水处理、含酚废水处理、制药废水处理、含放射性元素的废水处理。 二氧化钛是一种能带间隙较宽的新型半导体( n 型) 材料，其化学性能稳定。由于半导体能带不连续，在波长小于一定范围的光照射下，能吸收能量高于其禁带宽度的波长光的辐射，产生电子跃迁，形成空穴( h + ) 电子( e ) 对，从而产生活性很强的自由基和超氧离子等活性氧，易将有机物和有害气体催化分解。TiO2的尺寸的越小，与物质接触的表面积就越大，其光催化活性也越强。纳米催化降解汽

11、车尾气技术在沥青路面中的应用 根据这一理论，若将纳米二氧化钛添加到道路材料中，在光照条件下，二氧化钛可变为催化剂，将汽车排放的一氧化碳、碳氢化合物( HC) 和氮氧化物被分别分解为的碳酸盐和硝酸盐，然后吸附在路面空隙中，遇雨天即可随雨水冲走。分解原理可用如下反应式表示： 纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、光学效应、量子尺寸效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质，可以使涂料获得新的功能。 纳米涂料的应用粒度进入纳米尺度，材料表面活性中心的增多可提高其化学催化和光催化的反应能力，在紫外线和氧气的作用下给予涂层自清洁能力。高表面能的纳米材料表面经过改性可以获得同时憎水和憎油的特性，用于内外墙涂料可以显著提高涂层的抗污性并可提高耐候性。某些粒径小于100nm的纳米材料，