納米級(jí)多相材料的開發(fā)與價(jià)值取向工學(xué)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)見長(zhǎng)。納米級(jí)多相材料的開發(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發(fā)與應(yīng)用、例說納米級(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)
【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(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)外同類產(chǎn)品可以小于“2”,而我國(guó)往往大于“5”至“10”。顯而易見,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,我們存在的最大問題是在膜材料的制造方面。因此,開發(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,使得納米顆粒可以均勻的分散。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,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,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。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。多相物不限于無機(jī)物和金屬。因此,可以開發(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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