納米級多相材料的開發與價值取向工學論文
【摘要】納米級多相材料以顯示某些物質界面的某種特殊的物理性質和化學性質見長。納米級多相材料的開發,在催化、選擇性膜、高性能電極的制造方面出現新的突破,并且在環保、節能、儲能以及化工高效清潔生產方面發揮重要作用。本文從納米級多相材料中的納米顆粒的開發與應用、例說納米級兩相材料的實驗室生產的設想等方面探討納米級多相材料的功能與價值取向。
【關鍵詞】納米顆粒;納米級多相材料;實驗室生產
【Abstract】Heterogeneous nanometer level material is expert in kind of peculiar physical property and chemical property demonstrating some matter interface certain. Heterogeneous nanometer level material exploitation, the new breakthrough appears in the field of the catalysis, selectivity film, high-performance electrode fabrication, and bring the important effect into play in the field of environmental protection, energy conservation, stored energy and chemical industry high-effect clean production. The function and value saying the tentative plan that two-phase nanometer level material laboratory produces with application, the example waiting for aspect to discuss heterogeneous nanometer level material fetch the main body of a book from nanometer pellet exploitation in heterogeneous nanometer level material face.
【Key words】Nanometer pellet; Heterogeneous nanometer level material; The laboratory is produced
物質界面的某些物理與化學性質,雖然比較特殊,但納米級多相材料能夠集特殊性質于一身,發揮出超常的功能。納米級多相材料的開發,不僅在催化、選擇性膜、高性能電極的制造方面出現新的突破,而且在環保、節能、儲能以及高效清潔生產方面發揮重要作用。因此,從不同角度探討納米級多相材料開發與應用便成了有志之士的當務之急。
1 納米級多相材料中納米粒子的開發與應用
納米級多相材料的優越性并非鮮為人知,這里不加贅述。筆者在這里討論的是,在一種納米粒子(或者微米粒子)上生成另一種納米粒子的方法以及它的應用價值。
開發的動因:在實際工作中,筆者接觸到的滲透膜、離子隔膜等,大部分是進口產品。如反滲透膜有90%需要進口,超濾膜和微濾膜大約有50%需要進口,生物和醫用膜、氣體分離膜、特殊分離膜絕大部分需要進口。雖然,對于這方面的品種,如反滲透膜、電池隔膜,我國已經開始實現了規模化生產,但是,在性能上,與國外先進產品相比,仍有較大差距。譬如,反滲透膜的透鹽率。國外同類產品可以小于“2”,而我國往往大于“5”至“10”。顯而易見,國外在這方面的先進性不言而喻。在數量上,鋰電池的隔膜供不應求,依靠大量進口,即便釩電池、超級電容等的隔膜,也是進口為主,我們存在的最大問題是在膜材料的制造方面。因此,開發新的隔膜生產技術迫在眉睫。
應用價值:納米顆粒的開發具有廣泛的應用價值。主要表現為:其一,加入物質表面,可以起到對應的化學催化、光觸媒、燒結、傳感、物質表面改性等作用。譬如,納米鉑在汽車尾氣催化凈化中能夠起到非常好的效果,一些優良的三元催化器就有納米鉑的成分,同時也廣泛應用在氫氧燃料電池的低溫催化反應方面;又譬如,目前許多空調的光觸媒含有納米二氧化鈦;極薄到肉眼看不見的納米金在玻璃上的涂層可以起到冬暖夏涼的作用。其二,加入物質內部,可以起到對應的改變物質的物化性質的作用。尤其是金屬和非金屬材料的混合,如納米級陶瓷粉末和金屬粉末(包括納米級金屬粉末)的燒結的加工刀具。已經廣泛的應用在實際生產中了。又譬如納米超硬材料加入到工程塑料中,可以使工程塑料的耐磨性大幅度的提高,可以廣泛應用到國防、航天等領域。其三,單獨使用。如納米級二氧化鈦用于噴霧殺菌和分解甲醛,納米銀用于殺菌,納米藥物用于治療等。
2 納米級兩相材料的實驗室生產
2.1 實驗室生產的理論依據。
在通常的情況下,隔膜是可以用有機高分子材料制成或者無機材料燒結而成。用纖維狀的材料適當的疊加可以比較容易的制得一定的孔隙的隔膜,但孔隙不規則,在有機高分子材料上形成有一定規格的密集的孔隙,往往要用到成孔劑。這涉及到納米粒子分散到有機高分子材料中的技術,也涉及到納米顆粒本身的規格和性質,由于納米顆粒表面能的關系,若用普通的混煉,效果并不見佳。因此,人們又針對性地研究出一些特殊的化學與物理的方法,使得納米顆粒可以均勻的分散。一般,可以有兩種方法,一種是在有機高分子的某個基團上連接一個特定的小基團,然后使材料在比較粘稠的情況下把這個特定的小基團置換和還原出來,然后形成分散的納米顆粒。另一種方法,可以在納米顆粒的外層覆蓋一層包裹劑,然后在這層包裹劑上進行化學修飾,使其化學性質類似相應的高分子材料的性質。以上這兩種方法的材料要成為隔膜,還必須要制膜。一般在成膜后,以化學方法將成孔劑去除,接下來,有的還需要對膜和孔隙進行一定的物理或者化學的修飾,從而,形成特定離子的通過或遏制的功能。這樣形成的隔膜,孔隙可以嚴格控制在納米級別的統一基準上,可以制得高質量的特殊隔膜。必須補充一點,因為有機隔膜相當薄,達到微米甚至納米級,所以,它需附著于支撐物或者支撐膜上。
由于膜孔處是離子和分子的通道,改變膜孔處的物質,將對通道的選擇性作用產生影響。筆者在此提出一種設想,即生產某種納米級的兩相材料,將這種物質作為成孔劑,可以用化學法除掉一相,形成通道,而另外一相則留在空隙中。留下的一相,除了可以單獨起作用外,還可以對金屬進行輻射產生熱量,起到對已經形成的空隙進行熱修飾的作用,從而完成和支撐物連接或者燒結的的過程,達到電導通的目的;除此,還可以對其進行化學修飾,并在空隙中形成其他納米級的物質。納米兩相材料加入其他物質的表面或者內部,將會產生某種特殊的效果。筆者的這種方法,可以用來制造微傳感器、超級電容隔膜、常規電池的特殊隔膜、滲透膜、催化劑等。
2.2 例說納米級兩相材料的實驗室生產的設想。
操作如下:
常溫,取氫氧化鈣飽和溶液若干,用兩倍蒸餾水稀釋,常規過濾,取1400ml倒入200ml的燒杯內,以每分鐘200轉攪動,通入二氧化碳,形成納米級碳酸鈣,繼續反應,至PH值下降為“9”結束,加熱至85℃,繼續攪攔,加入10%的葡萄糖溶液30ml,此混合液為A。在500ml的燒杯內加入1%的硝酸銀溶液150ml,滴入20%氨水,直至形成 銀氨溶液為止,再滴入2%的氨水2ml,將此溶液加熱到85℃,此溶液為B。將A容器的混合液移去200ml,保溫在85℃~90℃之間,在繼續攪攔中將B溶液加入至A容器中,形成紅黑色的懸濁液,其中的固相具有納米級的碳酸鈣——納米銀兩相物質,即在納米碳酸鈣上沉積了納米銀,過濾,洗滌,可得到納米級兩相物質、納米級碳酸鈣或者納米銀的混合物。在形成兩相物質的液體中,可以加入分散劑,譬如:聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。納米級的碳酸鈣——納米銀兩相物質,可以作為成孔劑,當用一定的酸將碳酸鈣溶解后可以形成納米級的空隙,剩下的納米銀可以在100℃至150℃下和支撐物燒結實現電導通,因此在通道上可以加速對正負離子進行選擇性通過。納米級銀和其他納米級物質形成的多相納米顆粒,可以實現150℃以下的燒結(其中的納米銀燒結),并實現納米級電導通,這是實現納米級傳感器的關鍵。根據隔膜的需要,也可以把多相物作成微米級的,以適應較厚的隔膜以及大離子通過。多相物不限于無機物和金屬。因此,可以開發不同的納米級多相物,并且利用它去試制某些特殊的產品。
在水溶液中進行納米級多相物的實驗室生產的設想,源于納米級多相材料生產的科學理論和對實際應用的現實分析。如果能對我國目前“隔膜”生產、納米級傳感器生產、化學催化劑材料的生產起到一定的促進作用,那么,這是筆者最大的愿望。
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