納米材料的應(yīng)用研究進(jìn)展

刁潤(rùn)麗

摘 要： 納米材料特殊的納米結(jié)構(gòu)，使它具有了很多優(yōu)異的性能，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。綜述了納米材料在水處理、果蔬保鮮、綠色建筑、農(nóng)藥殘留及電化學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)應(yīng)用中的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并對(duì)納米材料廣闊的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米材料;應(yīng)用;研究;進(jìn)展;

1 前 言

納米技術(shù)是21世紀(jì)的三大發(fā)明之一，它是主要研究在0.1—100nm結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，用單個(gè)的分子、原子來(lái)制備產(chǎn)物的技術(shù)[1-3]。納米材料是一類超細(xì)材料，具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等一些特殊性能?；诖?，納米材料引起了研究者們的廣泛關(guān)注，而納米技術(shù)的發(fā)展又為材料、化學(xué)、物理、仿生學(xué)及生物等學(xué)科提供了新的發(fā)展空間[4，5]。

2 納米材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 納米材料的結(jié)構(gòu)

納米材料是處于亞穩(wěn)態(tài)的物質(zhì)，比表面積大，粒徑小，表面原子比例高，具有獨(dú)特的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和表面效應(yīng)，表現(xiàn)出宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)使納米材料具有很多優(yōu)良的特性[6]。

2.2 納米材料的性質(zhì)

1）化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)：納米材料的粒徑為納米級(jí)，性質(zhì)非?；顫姡泻軓?qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性。如在空氣中納米級(jí)的金屬材料可以發(fā)生氧化反應(yīng)，劇烈的伴隨有發(fā)光燃燒;45 nm的TiN晶粒在空氣中受熱可燃燒得TiO2晶粒。

2）催化性質(zhì)：納米粒子比表面積大、表面原子配位不足等性質(zhì)增加了表面的活性中心，從而使其具有催化活性。納米粒子催化劑沒(méi)有孔隙，可直接加入反應(yīng)體系，不必外加載體。另外，納米粒子催化劑的表面比較粗糙，可以擴(kuò)大反應(yīng)面積。

3）光催化性質(zhì)：納米材料可以吸收光能，使其氧化還原能力增強(qiáng)，從而有利于催化反應(yīng)。粒徑越小，光催化性越強(qiáng)，反應(yīng)速度越快。

此外，納米材料還具有比熱大、塑性好、硬度高、導(dǎo)電率高和磁化率高等優(yōu)異的特性。隨著研究的進(jìn)一步深入，相信還會(huì)有更多優(yōu)異的性能呈現(xiàn)出來(lái)[7]。

3 納米材料的應(yīng)用

3.1水處理

水是生命之源，隨著發(fā)展，在用水量增加的同時(shí)水資源的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，導(dǎo)致水危機(jī)事件多發(fā)。因此，急需對(duì)污水進(jìn)行處理，使其資源化，從而提高利用效率。但是目前，傳統(tǒng)的處理技術(shù)滿足不了發(fā)展的需求?；钚蕴恳环矫鎸?duì)極性小分子的吸附能力較弱，另一方面由于含有較多的微孔，不能吸附大的有機(jī)分子。納米吸附劑由于比表面積大，活性質(zhì)點(diǎn)和表面原子多，孔徑易控，表面性質(zhì)優(yōu)異，因此吸附性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)吸附劑[8]。

碳納米管已作為吸附劑應(yīng)用于水處理領(lǐng)域，并展示了對(duì)有機(jī)物優(yōu)良的吸附效果。碳納米管比表面積大并且具有憎水性，因此在水相中可以形成疏松多孔的聚集體，加之它與小分子之間具有疏水作用、氫鍵作用、π-π 作用、靜電作用、共價(jià)作用等多樣作用，因此它對(duì)各種尺寸的有機(jī)分子吸附能力都很強(qiáng)，使它們之間可以充分相互作用[9]。

3.2果蔬保鮮

果蔬口感好且營(yíng)養(yǎng)豐富，但是它易腐爛，且地域性和季節(jié)性明顯，導(dǎo)致貯藏難、運(yùn)輸損失大，因此果蔬保鮮就成了迫切需要解決的問(wèn)題。目前已進(jìn)行了很多研究，效果明顯。果蔬保鮮通常有化學(xué)保鮮、物理保鮮及生物保鮮三種方法，這些方法的不足之處越來(lái)越凸顯。納米材料力學(xué)性能優(yōu)異、阻隔性好，將其用到果蔬保鮮中可以彌補(bǔ)常用保鮮方法的不足，加上納米材料對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，因此是很有潛力的新型保鮮劑。

納米硅氧化物是白色、無(wú)味、無(wú)毒的粉末狀無(wú)機(jī)納米材料，它能夠在貯藏過(guò)程中使果蔬保持硬度。張洪等[10]對(duì)采摘后的桃涂抹殼聚糖-納米SiOx的復(fù)合膜，從而抑制了相關(guān)酶（PPO、POD 等）的活性，使桃子的保鮮期得到了延長(zhǎng)。吳雪瑩等[10]在臍橙上涂抹殼聚糖與納米SiO2涂膜，使多聚半乳糖醛酸酶（ PG）、果膠甲酯酶（ PEP）和纖維素酶（ cellulase） 的活性受到抑制，原果膠的降解速度受到抑制，從而提高了果實(shí)的硬度，延長(zhǎng)了貯藏期。納米SiOx 涂膜也可以延長(zhǎng)其它果蔬如圣女果、哈密瓜等的保鮮期。

3.3綠色建筑

綠色建筑指在建筑的生命周期內(nèi)，為人們提供健康、高效和舒適的空間的同時(shí)，最大限度地節(jié)約各種資源，與自然和諧共生。綠色建筑技術(shù)注重高效、低耗、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)化與集成，是人與自然、現(xiàn)在與未來(lái)之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)手段。綠色建筑的內(nèi)涵最終要借助建筑材料體現(xiàn)出來(lái)。納米材料因優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)成為綠色建筑的首選材料，社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益顯著，應(yīng)用前景廣闊。

納米材料可以提高混凝土的強(qiáng)度、增加其耐久性，從而改善建筑物的使用壽命。其中的納米SiO2、CaCO3礦粉主要與水泥漿體中的Ca（OH）2反應(yīng)，可以改善混凝土的韌性、強(qiáng)度、耐久性和抗?jié)B性能。納米金屬氧化物如TiO2、Fe3O4等可以改善水泥基的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)，還有電磁屏蔽的作用，增加混凝土的智能性。碳納米管及納米纖維加入大電阻的混凝土中，在增加混凝土強(qiáng)度和韌性的同時(shí)能減少裂紋，還可以實(shí)現(xiàn)自監(jiān)測(cè)與自診斷應(yīng)力和損傷情況。Yu等[11]在水泥中添加碳納米管，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1%、0.5%，結(jié)果顯示材料的電容特性和電阻特性增加明顯。

3.4農(nóng)藥殘留

目前，關(guān)于環(huán)境和食品方面農(nóng)殘污染的報(bào)道非常之多，農(nóng)藥殘留是人類健康的一個(gè)重大隱患。為改善這一種狀況，制定了嚴(yán)格的農(nóng)殘限量標(biāo)準(zhǔn)，還不斷開(kāi)發(fā)快速、靈敏和準(zhǔn)確的農(nóng)殘快速檢測(cè)技術(shù)。納米材料具有優(yōu)異的物理、化學(xué)等特性，將其和其他技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到農(nóng)藥殘留物方面，可優(yōu)化樣品的前處理和檢測(cè)。

納米四氧化三鐵（ Fe3 O4 ）顯示超順磁性，可以吸附富集小分子農(nóng)藥，將其從基質(zhì)中分離出來(lái)。馮鈺锜等[12]通過(guò)熱溶法制得納米四氧化三鐵，從植物油中用液微萃取-磁分離法提取極性有機(jī)磷，15 min就完成了整個(gè)前處理過(guò)程，解吸附150 μL有機(jī)溶劑制備得到樣品。Li等[12]首先合成（化學(xué)共沉淀法）納米四氧化三鐵，粒徑為10 ～ 20 nm，然后對(duì)蔬菜中101種農(nóng)藥進(jìn)行萃取，并與不加磁性納米粒的結(jié)果做對(duì)比，研究結(jié)果證明了磁納米粒具有優(yōu)良的吸附純化性能。

3.5電化學(xué)

碳納米材料由于比表面積大、機(jī)械性能和導(dǎo)電性能良好，在電化學(xué)領(lǐng)域獲得了研究者們的青睞，在理論和實(shí)踐方面取得了很大的進(jìn)展。

燃料電池是通過(guò)電極反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，由陰、陽(yáng)兩極和電解質(zhì)構(gòu)成。燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高而且環(huán)保，所以在通信、分立電源及交通等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。碳納米材料可以提高燃料電池的穩(wěn)定性和能量密度，降低成本。Kakati 等[13] 在CNTs 表面分散多孔的SnO2，水熱條件下，使得催化劑CNTs/ SnO2大大增加對(duì)Pt /Ru 納米粒子的吸附，使燃料電池的催化性能得到提高。Sebastian等[13]將導(dǎo)電性好且多孔的碳納米纖維添加到燃料電池中，結(jié)果顯示了良好的催化性能。

雖然在電化學(xué)領(lǐng)域碳納米材料取得了一定的進(jìn)展，但目前僅限于實(shí)驗(yàn)室階段，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，因?yàn)檫€有一些問(wèn)題有待于解決，如碳納米材料易團(tuán)聚，生物分子不穩(wěn)定，過(guò)程繁瑣，電極穩(wěn)定性差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能重現(xiàn)等。

4結(jié)語(yǔ)

納米材料是一種非常重要的新型材料，應(yīng)用前景良好，在多個(gè)領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注。隨著研究的日益深入，相信還會(huì)有更多方面的發(fā)展和應(yīng)用展現(xiàn)出來(lái)。

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Research Progress on the Application of Nanomaterials

DIAO Run-li

（Henan Quality Polytechnic， Pingdingshan， Henan 467001）

Abstract： Nanoscale that is typical of nanomaterials makes them possess many excellent properties. So it is being used more and more widely. The application in the fields of water treatment，fruits and vegetables preservation，green building，pesticide residues and electrochemistry were reviewed. The problems in the process of application were analyzed. Finally，the wide application prospect of nanomaterials was forecasted.

Keywords： nanomaterials;application;research;progress;