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納米級(jí)多相材料的開(kāi)發(fā)與價(jià)值取向論文
【摘要】納米級(jí)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(zhǎng)。納米級(jí)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(xiàn)新的突破,并且在環(huán)保、節(jié)能、儲(chǔ)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(jí)多相材料中的納米顆粒的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用、例說(shuō)納米級(jí)兩相材料的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的設(shè)想等方面探討納米級(jí)多相材料的功能與價(jià)值取向。
【關(guān)鍵詞】納米顆粒;納米級(jí)多相材料;實(shí)驗(yàn)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(jí)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(jí)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(xiàn)新的突破,而且在環(huán)保、節(jié)能、儲(chǔ)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(jí)多相材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用便成了有志之士的當(dāng)務(wù)之急。
1 納米級(jí)多相材料中納米粒子的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用
納米級(jí)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(yīng)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(yī)用膜、氣體分離膜、特殊分離膜絕大部分需要進(jìn)口。雖然,對(duì)于這方面的品種,如反滲透膜、電池隔膜,我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了規(guī)�；a(chǎn),但是,在性能上,與國(guó)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(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品可以小于“2”,而我國(guó)往往大于“5”至“10”。顯而易見(jiàn),國(guó)外在這方面的先進(jìn)性不言而喻。在數(shù)量上,鋰電池的隔膜供不應(yīng)求,依靠大量進(jìn)口,即便釩電池、超級(jí)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(yīng)用價(jià)值:納米顆粒的開(kāi)發(fā)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。主要表現(xiàn)為:其一,加入物質(zhì)表面,可以起到對(duì)應(yīng)的化學(xué)催化、光觸媒、燒結(jié)、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(yīng)用在氫氧燃料電池的低溫催化反應(yīng)方面;又譬如,目前許多空調(diào)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(nèi)部,可以起到對(duì)應(yīng)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(jí)陶瓷粉末和金屬粉末(包括納米級(jí)金屬粉末)的燒結(jié)的加工刀具。已經(jīng)廣泛的應(yīng)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(yīng)用到國(guó)防、航天等領(lǐng)域。其三,單獨(dú)使用。如納米級(jí)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(jí)兩相材料的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)
2.1 實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的理論依據(jù)。
在通常的情況下,隔膜是可以用有機(jī)高分子材料制成或者無(wú)機(jī)材料燒結(jié)而成。用纖維狀的材料適當(dāng)?shù)寞B加可以比較容易的制得一定的孔隙的隔膜,但孔隙不規(guī)則,在有機(jī)高分子材料上形成有一定規(guī)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(jī)高分子材料中的技術(shù),也涉及到納米顆粒本身的規(guī)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(duì)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(jī)高分子的某個(gè)基團(tuán)上連接一個(gè)特定的小基團(tuán),然后使材料在比較粘稠的情況下把這個(gè)特定的小基團(tuán)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(yīng)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(duì)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(yán)格控制在納米級(jí)別的統(tǒng)一基準(zhǔn)上,可以制得高質(zhì)量的特殊隔膜。必須補(bǔ)充一點(diǎn),因?yàn)橛袡C(jī)隔膜相當(dāng)薄,達(dá)到微米甚至納米級(jí),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(zhì),將對(duì)通道的選擇性作用產(chǎn)生影響。筆者在此提出一種設(shè)想,即生產(chǎn)某種納米級(jí)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(dú)起作用外,還可以對(duì)金屬進(jìn)行輻射產(chǎn)生熱量,起到對(duì)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(jié)的的過(guò)程,達(dá)到電導(dǎo)通的目的;除此,還可以對(duì)其進(jìn)行化學(xué)修飾,并在空隙中形成其他納米級(jí)的物質(zhì)。納米兩相材料加入其他物質(zhì)的表面或者內(nèi)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(jí)電容隔膜、常規(guī)電池的特殊隔膜、滲透膜、催化劑等。
2.2 例說(shuō)納米級(jí)兩相材料的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的設(shè)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(guī)過(guò)濾,取1400ml倒入200ml的燒杯內(nèi),以每分鐘200轉(zhuǎn)攪動(dòng),通入二氧化碳,形成納米級(jí)碳酸鈣,繼續(xù)反應(yīng),至PH值下降為“9”結(jié)束,加熱至85℃,繼續(xù)攪攔,加入10%的葡萄糖溶液30ml,此混合液為A。在500ml的燒杯內(nèi)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(xù)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(jí)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(jí)兩相物質(zhì)、納米級(jí)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(jí)的碳酸鈣——納米銀兩相物質(zhì),可以作為成孔劑,當(dāng)用一定的酸將碳酸鈣溶解后可以形成納米級(jí)的空隙,剩下的納米銀可以在100℃至150℃下和支撐物燒結(jié)實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通,因此在通道上可以加速對(duì)正負(fù)離子進(jìn)行選擇性通過(guò)。納米級(jí)銀和其他納米級(jí)物質(zhì)形成的多相納米顆粒,可以實(shí)現(xiàn)150℃以下的燒結(jié)(其中的納米銀燒結(jié)),并實(shí)現(xiàn)納米級(jí)電導(dǎo)通,這是實(shí)現(xiàn)納米級(jí)傳感器的關(guān)鍵。根據(jù)隔膜的需要,也可以把多相物作成微米級(jí)的,以適應(yīng)較厚的隔膜以及大離子通過(guò)。多相物不限于無(wú)機(jī)物和金屬。因此,可以開(kāi)發(fā)不同的納米級(jí)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(jí)多相物的實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)的設(shè)想,源于納米級(jí)多相材料生產(chǎn)的科學(xué)理論和對(duì)實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)分析。如果能對(duì)我國(guó)目前“隔膜”生產(chǎn)、納米級(jí)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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