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纳米级多相材料的开发与价值取向论文
【摘要】纳米级多相材料以显示某些物质界面的某种特殊的物理性质和化学性质见长。纳米级多相材料的开发,在催化、选择性膜、高性能电极的制造方面出现新的突破,并且在环保、节能、储能以及化工高效清洁生产方面发挥重要作用。本文从纳米级多相材料中的纳米颗粒的开发与应用、例说纳米级两相材料的实验室生产的设想等方面探讨纳米级多相材料的功能与价值取向。
【关键词】纳米颗粒;纳米级多相材料;实验室生产
物质界面的某些物理与化学性质,虽然比较特殊,但纳米级多相材料能够集特殊性质于一身,发挥出超常的功能。纳米级多相材料的开发,不仅在催化、选择性膜、高性能电极的制造方面出现新的突破,而且在环保、节能、储能以及高效清洁生产方面发挥重要作用。因此,从不同角度探讨纳米级多相材料开发与应用便成了有志之士的当务之急。
1 纳米级多相材料中纳米粒子的开发与应用
纳米级多相材料的优越性并非鲜为人知,这里不加赘述。笔者在这里讨论的是,在一种纳米粒子(或者微米粒子)上生成另一种纳米粒子的方法以及它的应用价值。
开发的动因:在实际工作中,笔者接触到的渗透膜、离子隔膜等,大部分是进口产品。如反渗透膜有90%需要进口,超滤膜和微滤膜大约有50%需要进口,生物和医用膜、气体分离膜、特殊分离膜绝大部分需要进口。虽然,对于这方面的品种,如反渗透膜、电池隔膜,我国已经开始实现了规模化生产,但是,在性能上,与国外先进产品相比,仍有较大差距。譬如,反渗透膜的透盐率。国外同类产品可以小于“2”,而我国往往大于“5”至“10”。显而易见,国外在这方面的先进性不言而喻。在数量上,锂电池的隔膜供不应求,依靠大量进口,即便钒电池、超级电容等的隔膜,也是进口为主,我们存在的最大问题是在膜材料的制造方面。因此,开发新的隔膜生产技术迫在眉睫。
应用价值:纳米颗粒的开发具有广泛的应用价值。主要表现为:其一,加入物质表面,可以起到对应的化学催化、光触媒、烧结、传感、物质表面改性等作用。譬如,纳米铂在汽车尾气催化净化中能够起到非常好的效果,一些优良的三元催化器就有纳米铂的成分,同时也广泛应用在氢氧燃料电池的低温催化反应方面;又譬如,目前许多空调的光触媒含有纳米二氧化钛;极薄到肉眼看不见的纳米金在玻璃上的涂层可以起到冬暖夏凉的作用。其二,加入物质内部,可以起到对应的改变物质的物化性质的作用。尤其是金属和非金属材料的混合,如纳米级陶瓷粉末和金属粉末(包括纳米级金属粉末)的烧结的加工刀具。已经广泛的应用在实际生产中了。又譬如纳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,可以广泛应用到国防、航天等领域。其三,单独使用。如纳米级二氧化钛用于喷雾杀菌和分解甲醛,纳米银用于杀菌,纳米药物用于治疗等。
2 纳米级两相材料的实验室生产
2.1 实验室生产的理论依据。
在通常的情况下,隔膜是可以用有机高分子材料制成或者无机材料烧结而成。用纤维状的材料适当的叠加可以比较容易的制得一定的孔隙的隔膜,但孔隙不规则,在有机高分子材料上形成有一定规格的密集的孔隙,往往要用到成孔剂。这涉及到纳米粒子分散到有机高分子材料中的技术,也涉及到纳米颗粒本身的规格和性质,由于纳米颗粒表面能的关系,若用普通的混炼,效果并不见佳。因此,人们又针对性地研究出一些特殊的化学与物理的方法,使得纳米颗粒可以均匀的分散。一般,可以有两种方法,一种是在有机高分子的某个基团上连接一个特定的小基团,然后使材料在比较粘稠的情况下把这个特定的小基团置换和还原出来,然后形成分散的纳米颗粒。另一种方法,可以在纳米颗粒的外层覆盖一层包裹剂,然后在这层包裹剂上进行化学修饰,使其化学性质类似相应的高分子材料的性质。以上这两种方法的材料要成为隔膜,还必须要制膜。一般在成膜后,以化学方法将成孔剂去除,接下来,有的还需要对膜和孔隙进行一定的物理或者化学的修饰,从而,形成特定离子的通过或遏制的功能。这样形成的隔膜,孔隙可以严格控制在纳米级别的统一基准上,可以制得高质量的特殊隔膜。必须补充一点,因为有机隔膜相当薄,达到微米甚至纳米级,所以,它需附着于支撑物或者支撑膜上。
由于膜孔处是离子和分子的通道,改变膜孔处的物质,将对通道的选择性作用产生影响。笔者在此提出一种设想,即生产某种纳米级的两相材料,将这种物质作为成孔剂,可以用化学法除掉一相,形成通道,而另外一相则留在空隙中。留下的一相,除了可以单独起作用外,还可以对金属进行辐射产生热量,起到对已经形成的空隙进行热修饰的作用,从而完成和支撑物连接或者烧结的的过程,达到电导通的目的;除此,还可以对其进行化学修饰,并在空隙中形成其他纳米级的物质。纳米两相材料加入其他物质的表面或者内部,将会产生某种特殊的效果。笔者的这种方法,可以用来制造微传感器、超级电容隔膜、常规电池的特殊隔膜、渗透膜、催化剂等。
2.2 例说纳米级两相材料的实验室生产的设想。
操作如下:
常温,取氢氧化钙饱和溶液若干,用两倍蒸馏水稀释,常规过滤,取1400ml倒入200ml的烧杯内,以每分钟200转搅动,通入二氧化碳,形成纳米级碳酸钙,继续反应,至PH值下降为“9”结束,加热至85℃,继续搅拦,加入10%的葡萄糖溶液30ml,此混合液为A。在500ml的烧杯内加入1%的硝酸银溶液150ml,滴入20%氨水,直至形成 银氨溶液为止,再滴入2%的氨水2ml,将此溶液加热到85℃,此溶液为B。将A容器的混合液移去200ml,保温在85℃~90℃之间,在继续搅拦中将B溶液加入至A容器中,形成红黑色的悬浊液,其中的固相具有纳米级的碳酸钙——纳米银两相物质,即在纳米碳酸钙上沉积了纳米银,过滤,洗涤,可得到纳米级两相物质、纳米级碳酸钙或者纳米银的混合物。在形成两相物质的液体中,可以加入分散剂,譬如:聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。纳米级的碳酸钙——纳米银两相物质,可以作为成孔剂,当用一定的酸将碳酸钙溶解后可以形成纳米级的空隙,剩下的纳米银可以在100℃至150℃下和支撑物烧结实现电导通,因此在通道上可以加速对正负离子进行选择性通过。纳米级银和其他纳米级物质形成的多相纳米颗粒,可以实现150℃以下的烧结(其中的纳米银烧结),并实现纳米级电导通,这是实现纳米级传感器的关键。根据隔膜的需要,也可以把多相物作成微米级的,以适应较厚的隔膜以及大离子通过。多相物不限于无机物和金属。因此,可以开发不同的纳米级多相物,并且利用它去试制某些特殊的产品。
在水溶液中进行纳米级多相物的实验室生产的设想,源于纳米级多相材料生产的科学理论和对实际应用的现实分析。如果能对我国目前“隔膜”生产、纳米级传感器生产、化学催化剂材料的生产起到一定的促进作用,那么,这是笔者最大的愿望。
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