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納米級多相材料的開(kāi)發(fā)與價(jià)值取向論文
【摘要】納米級多相材料以顯示某些物質(zhì)界面的某種特殊的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)長(cháng)。納米級多相材料的開(kāi)發(fā),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(huán)保、節能、儲能以及化工高效清潔生產(chǎn)方面發(fā)揮重要作用。本文從納米級多相材料中的納米顆粒的開(kāi)發(fā)與應用、例說(shuō)納米級兩相材料的實(shí)驗室生產(chǎn)的設想等方面探討納米級多相材料的功能與價(jià)值取向。
【關(guān)鍵詞】納米顆粒;納米級多相材料;實(shí)驗室生產(chǎn)
物質(zhì)界面的某些物理與化學(xué)性質(zhì),雖然比較特殊,但納米級多相材料能夠集特殊性質(zhì)于一身,發(fā)揮出超常的功能。納米級多相材料的開(kāi)發(fā),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(huán)保、節能、儲能以及高效清潔生產(chǎn)方面發(fā)揮重要作用。因此,從不同角度探討納米級多相材料開(kāi)發(fā)與應用便成了有志之士的當務(wù)之急。
1 納米級多相材料中納米粒子的開(kāi)發(fā)與應用
納米級多相材料的優(yōu)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(jià)值。
開(kāi)發(fā)的動(dòng)因:在實(shí)際工作中,筆者接觸到的滲透膜、離子隔膜等,大部分是進(jìn)口產(chǎn)品。如反滲透膜有90%需要進(jìn)口,超濾膜和微濾膜大約有50%需要進(jìn)口,生物和醫用膜、氣體分離膜、特殊分離膜絕大部分需要進(jìn)口。雖然,對于這方面的品種,如反滲透膜、電池隔膜,我國已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現了規�；a(chǎn),但是,在性能上,與國外先進(jìn)產(chǎn)品相比,仍有較大差距。譬如,反滲透膜的透鹽率。國外同類(lèi)產(chǎn)品可以小于“2”,而我國往往大于“5”至“10”。顯而易見(jiàn),國外在這方面的先進(jìn)性不言而喻。在數量上,鋰電池的隔膜供不應求,依靠大量進(jìn)口,即便釩電池、超級電容等的隔膜,也是進(jìn)口為主,我們存在的最大問(wèn)題是在膜材料的制造方面。因此,開(kāi)發(fā)新的隔膜生產(chǎn)技術(shù)迫在眉睫。
應用價(jià)值:納米顆粒的開(kāi)發(fā)具有廣泛的應用價(jià)值。主要表現為:其一,加入物質(zhì)表面,可以起到對應的化學(xué)催化、光觸媒、燒結、傳感、物質(zhì)表面改性等作用。譬如,納米鉑在汽車(chē)尾氣催化凈化中能夠起到非常好的效果,一些優(yōu)良的三元催化器就有納米鉑的成分,同時(shí)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(jiàn)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(zhì)內部,可以起到對應的改變物質(zhì)的物化性質(zhì)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(jīng)廣泛的應用在實(shí)際生產(chǎn)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(lǐng)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(shí)驗室生產(chǎn)
2.1 實(shí)驗室生產(chǎn)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(wú)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(shù),也涉及到納米顆粒本身的規格和性質(zhì),由于納米顆粒表面能的關(guān)系,若用普通的混煉,效果并不見(jiàn)佳。因此,人們又針對性地研究出一些特殊的化學(xué)與物理的方法,使得納米顆�？梢跃鶆虻姆稚�。一般,可以有兩種方法,一種是在有機高分子的某個(gè)基團上連接一個(gè)特定的小基團,然后使材料在比較粘稠的情況下把這個(gè)特定的小基團置換和還原出來(lái),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(jìn)行化學(xué)修飾,使其化學(xué)性質(zhì)類(lèi)似相應的高分子材料的性質(zhì)。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(xué)方法將成孔劑去除,接下來(lái),有的還需要對膜和孔隙進(jìn)行一定的物理或者化學(xué)的修飾,從而,形成特定離子的通過(guò)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(zhì)量的特殊隔膜。必須補充一點(diǎn),因為有機隔膜相當薄,達到微米甚至納米級,所以,它需附著(zhù)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(zhì),將對通道的選擇性作用產(chǎn)生影響。筆者在此提出一種設想,即生產(chǎn)某種納米級的兩相材料,將這種物質(zhì)作為成孔劑,可以用化學(xué)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(jìn)行輻射產(chǎn)生熱量,起到對已經(jīng)形成的空隙進(jìn)行熱修飾的作用,從而完成和支撐物連接或者燒結的的過(guò)程,達到電導通的目的;除此,還可以對其進(jìn)行化學(xué)修飾,并在空隙中形成其他納米級的物質(zhì)。納米兩相材料加入其他物質(zhì)的表面或者內部,將會(huì )產(chǎn)生某種特殊的效果。筆者的這種方法,可以用來(lái)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(shuō)納米級兩相材料的實(shí)驗室生產(chǎn)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(guò)濾,取1400ml倒入200ml的燒杯內,以每分鐘200轉攪動(dòng),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(zhì),即在納米碳酸鈣上沉積了納米銀,過(guò)濾,洗滌,可得到納米級兩相物質(zhì)、納米級碳酸鈣或者納米銀的混合物。在形成兩相物質(zhì)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(zhì),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(shí)現電導通,因此在通道上可以加速對正負離子進(jìn)行選擇性通過(guò)。納米級銀和其他納米級物質(zhì)形成的多相納米顆粒,可以實(shí)現150℃以下的燒結(其中的納米銀燒結),并實(shí)現納米級電導通,這是實(shí)現納米級傳感器的關(guān)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(guò)。多相物不限于無(wú)機物和金屬。因此,可以開(kāi)發(fā)不同的納米級多相物,并且利用它去試制某些特殊的產(chǎn)品。
在水溶液中進(jìn)行納米級多相物的實(shí)驗室生產(chǎn)的設想,源于納米級多相材料生產(chǎn)的科學(xué)理論和對實(shí)際應用的現實(shí)分析。如果能對我國目前“隔膜”生產(chǎn)、納米級傳感器生產(chǎn)、化學(xué)催化劑材料的生產(chǎn)起到一定的促進(jìn)作用,那么,這是筆者最大的愿望。
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