什么是光催化纳米材？

纳米科技具体都应用在哪些领域？纳米技术

一、陶瓷增韧 　　纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。 二、磁性材料 　　1、巨磁电阻材料 　　磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻。 所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。 2．新型的磁性液体和磁记录材料。 　　油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。 在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂...全部

   一、陶瓷增韧 　　纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。 二、磁性材料 　　1、巨磁电阻材料 　　磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻。
  所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。 2．新型的磁性液体和磁记录材料。 　　油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系。
  在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体。 用作磁记录材料。近年来各种信息量飞速增加，需要记录的信息量也不断增加，要求记录材料高性能化，特别是记录高密度化。
  高记录密度的记录材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，使记录密度大大提高。 　　磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。
   3．纳米微晶软磁材料 纳米微晶软磁材料目前沿着高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、脉冲变压器、高频高压器、可饱和电抗器、互感器、磁屏蔽、磁头、磁开关、传感器等，它将成为铁氧体的有力竞争者。
   4、纳米微晶稀土永磁材料 由于稀土永磁材料的问世，使永磁材料的性能突飞猛进。稀土永磁材料已经历了SmCo5，Sm2CO17以及Nb2Fe14B3个发展阶段；目前烧结Nd2Fel4B稀土永磁的磁能积已高达432kJ／m3(54MGOe)，接近理论值512kJ／m3(64MGOe)，并已进入规模生产，此外作为粘结永磁体原材料的快粹NbFeB磁粉，晶粒尺寸约为20~50nm为典型的纳米微晶稀土永磁材料，美国GM公司快淬NbFeB磁粉的年产量已达4500t／a(吨／年)。
   5．纳米磁致冷工质 磁致冷发展的趋势是由低温向高温发展，20世纪30年代利用顺磁盐作为磁致冷工质，采用绝热去磁方式成功地获得mk量级的低温，20世纪80年代采用Gd3Ga5012(GGG)型的顺磁性石榴石化合物成功地应用于1。
  5~15K的磁致冷，20世纪90年代用磁性Fe离子取代部分非磁性Gd离子，由于Fe离子与Cd离子间存在超交换作用，使局域磁矩有序化，构成磁性的纳米团簇，当温度大于15K时其磁梢变高于GGG，从而成为15~30K温区最佳的磁致冷工质。
   　　1976年布朗首先采用金属Gd为磁致冷工质，在7T磁场下实现了室温磁致冷的试验，由于采用超导磁场，无法进行商品化。20世纪80年代以来人们对磁致冷工质开展了广泛的研究工作，但磁熵变均低于Gd。
  1996年在RmnO3钙钛矿化合物中获得磁精变大于Gd的突破，1997年报道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵变可高于金属Gd-倍，高温磁致冷正一步步走向实用化。据报道1997年美国已研制成以Gd为磁致冷工质的磁致冷机。
  如将磁致冷工质纳米化，可能用来展宽致冷的温区。 6．纳米巨磁阻抗材料 　　巨磁阻抗效应是磁性材料交流阻抗随外磁场发生急剧变化物特性，这种现象在轶磁衍料很容易出现，例如Co基非品、铁基纳米微晶以及NiFe坡莫合金均观察到强的巨磁阻抗效应磁场较低，工作温度为室温以上，这对巨磁阻抗材料的应用十分有利，加上铁基纳米品成本低，因而利用纳米材料巨磁阻抗效应制成的磁传感器已在实验室问世。
  例如，用铁基纳米晶巨磁阻抗材料研制的磁敏开关具有灵敏度高，体积小，响应快等优点，可广泛用于自动控制、速度和位置测定、防盗报警系统和汽车导航、点火装置等。 三、纳米微粒的活性及其在催化方面的应用 　　纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。
  最近，关于纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，这就增加了化学反应的接触面。有人预计超微粒子催化剂在下一世纪很可能成为催化反应的主要角色。尽管纳米级的催化剂还主要处于实验室阶段，尚未在工业上得到广泛的应用，但是它的应用前途方兴未艾。
   　　催化剂的作用主要可归结为三个方面：一是提高反应速度，增加反应效率；二是决定反应路径，有优良的选择性，例如只进行氢化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；三是降低反应温度。纳米粒子作为催化剂必须满足上述的条件。
   1． 金属纳米粒子的催化作用 　　贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子姥在经氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯短双链上往往与尺寸较大的官能团-短基相邻接，致使双链很难打开，加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双链变得容易，使氢化反应顺利进行。
  表11。1列出了金属佬粒子的粒径对各种短的氢化催化活性的影响。由表中可看出，粒径愈小，氢化速度愈快。 　　2．带有衬底的金属纳米粒子催化剂 　　这种类型催化剂用途比较广泛，一般采取化学制备法，概括起来有以下几种： 　　浸入法。
  将金属的纳米粒子(醇－>醛－>酸－>CO2，完成了对有机物的降解。具有这种光催化半导体的能隙既不能太宽，也不能太窄，对太阳光敏感的具有光催化特性的半导体能隙一般为1。9~3。1eV。纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于： 　　由于量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。
  这意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力。 　　纳米半导体粒子的粒径小，光生载流子比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内迁移到表面，有利于得或失电子，促进氧化和还原反应。 　　常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3，CdS，ZnS，PbS，PbSe，ZnFe2O4等。
  主要用处：将在这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。
  锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用Cu+，Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用情景。铅化的TiO2！纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。
  还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来从甲醇水合溶液中提取H2。 　　近年来，纳米TiO2的光催化在污水有机物降解方面得到了应用。为了提高光催化效率，人们试图将纳TiO2组装到多孔固体中增加比表面，或者将铁酸铮与TiO2复合提高太阳光的利用率。
  利用准一维纳米Ti乌丝的阵列提高光催化效率已获得成功，有推广价值，方法是利用多孔有序阵列氧化铝模板，在其纳米柱形孔洞的微腔内合成锐铁矿型纳米TiO2丝阵列，再将此复合体系粘到环氧树脂衬底上，将模板去后，在环氧树脂衬底上形成纳米TiO2丝阵列。
  由于纳米丝表面积大，比同样平面面积的TiO2膜的接受光的面积增加几百倍，最大的光催化效率可以高300多倍，对双酚、水杨骏和带苯环一类有机物光降解十分有效。 　　4．纳米金属、半导体粒子的热催化 　　金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。
  也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。
  目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。 　　四、光学应用 　　纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。
  研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。
   　　1．红外反射材料 　　纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。 　　结构上，导电膜最简单，为单层膜，成本低。金属-电介质复合膜和电介质多层膜均属于层膜，成本稍高。在性能上，金属-电介质复合膜红外反射性能最好，耐热度在2000C以下。
  电介质多层膜红外反射性良好并且可在很高的温度下使用(<900℃)。导电膜虽然有较好的耐热性能，但其红外反射性能稍差。 　　纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69％转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。
  同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。
  有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电。 　　2．优异的光吸收材料 　　纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。
  纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米 粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：30~40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚固醇树脂膜。
  前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器。 　　最近发现，纳米Al2O3粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管使用寿命上。
  我们知道，日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明。一般来说，185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的紫外线泄漏对人体有损害，这一关键问题一直是困扰日光灯管工业的主要问题。
  如果把几个纳米的Al2O3粉掺合到稀土荧光粉中，利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光，而且不降低荧光粉的发光效率，在这方面的试验工作正在进行。 　　目前，用纳米微粒与树脂结合用于紫外吸收的例子是很多的。
  例如，防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。我们知道，大气中的紫外线主要是在300-400nm波段，太阳光对人体有伤害的紫外线也是在此波段。防晒油和化妆品中就是要选择对这个波段有强吸收的纳米微粒。
  最近研究表明，纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米云母、趋式化铁都有在这个波段吸收紫外光的特征。这里还需要强调一下，纳米添加时颗粒的粒径不能太小，否则会将汗毛孔堵死，不利于身体健康。
  而粒径太大，紫外吸收又会偏离这个波段。为了解决这个问题，应该在具有强紫外吸收的纳米微粒表面包敷一层对身体无害的高聚物，将这种复合体加入防晒油和化妆品中既发挥了纳米颗粒的作用，又改善了防晒油的性能。
  塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300－400nm范围有较强的紫外吸收性能，这样就可以防止塑料老化。汽车、舰船的表面上都需涂上油漆，特别是底漆主要是由氯丁橡胶、双酚树脂或者环氧树脂为主要原料，这些树脂和橡胶类的高聚物在阳光的紫外线照射下很容易老化变脆，致使油漆脱落，如果在面漆中加入能强烈吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆的作用。
  因此研究添加纳米微粒使之具有紫外吸收功能的油漆是十分重要的。 　　红外吸收材料在日常生活和国防上都有重要的应用前景。一些经济比较发达的国家已经开始用具有红外吸收功能的纤维制成军服供部队使用，这种纤维对人体释放的红外线有很好的屏蔽作用。
  众所周知，人体释放的红外线大致在4-6mm的中红外频段，如果不对这个频段的红外线进行屏蔽，很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现，尤其是在夜间人身安全将受到威胁，从这个意义上来说，研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服是很有必要的。
  而纳米微粒小很容易填充到纤维中，在拉纤维时不会堵喷头，而且某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性。纳米Al2O3、、纳米TiO2、纳米SiO2和纳米Fe2O3的复合粉就具有这种功能。纳米添加的纤维还有一个特性，就是对人体红外线有强吸收作用，这就可以增加保暖作用，减轻衣服的重量。
  有人估计用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，其重量可以减轻30％。 　　3、隐身材料 　　“隐身”这个名词，顾名思义就是隐蔽的意思。“聊斋”故事中就有“隐身术”的提法，它是指把人体伪装起来，让别人看不见。
  近年来，随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机；利用红外探测器也可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中的实力，也将隐身技术作为一个重要研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要的地位。
  1991年海湾战争中，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标，在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95％的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。
  这场高技术的战争一度使世界震惊。为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策？为什么美国的导弹击中伊拉克的军事目标如此准确？空对地导弹击中伊拉克的坦克为什么有极高命中率？一个重要的原因就是美国战斗机F117A型机身表面包覆了红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。
  而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。 　　美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。
  为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
   　　目前，隐身材料虽在很多方面都有广阔的应用前景，但当前真正发挥作用的隐身材料大多使用在航空航天与军事有密切关系的部件上。对于上天的材料有一个要求是重量轻，在这方面纳米材料是有优势的，特别是由轻元素组成的纳米材料在航空隐身材料方面应用十分广泛。
  有几种纳米微粒很可能在隐身材料上发挥作用，例如纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛的复合粉体与高分子纤维结合对中红外波段有很强的吸收性能，这种复合体对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放人涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用上有明显的优越性。
  另外，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用也将大有作为。
   　　五、在其他方面的应用 　　纳米材料在其他方面也有广阔的应用前景。美国、英国等国家已制备成功纳米抛光液，并有商品出售。常规的抛光液是将不同粒径的无机小颗粒放入基液制成抛光剂，广泛用于金相抛光、高级照像镜头抛光、．高级晶体抛光以及岩石抛光等。
  最细的颗粒尺寸一般在微米到亚微米级。随着高技术的飞快发展，要求晶体的表面有更高的光洁度，这就要求抛光剂中的无机小颗粒越来越细，分布越来越窄。纳米微粒为实现这个目标提供了基础。据报道，目前已成功制备出纳米A1O3，纳米CrO3、纳米SiO2的悬浮液，并用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光，纳米抛光液发展的前景方兴未艾。
   　　纳米静电屏蔽材料用于家用电器和其他电器的静电屏蔽具有良好的作用。一般的电器外壳都是由树脂加碳黑的涂料喷涂而形成的一个光滑表面，由于碳黑有导电作用，因而表面的涂层就有静电屏蔽作用。如果不能进行静电屏蔽，电器的信号就会受到外部静电的严重干扰。
  例如，人体接近屏蔽效果不好的电视机时，人体的静电就会对电视图像产生严重的干扰。为了改善静电屏蔽涂料的性能，日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO等。
  这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，同时氧化物纳米微粒的颜色不同，TiO2，SiO2纳米粒子为白色，Cr2O3为绿色，Fe2O3为褐色，这样就可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色。
  这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性化纤衣服和化纤地毯由于静电效应在黑暗中摩擦产生的放电效应很容易被观察到，同时很容易吸附灰尘，给使用者带来很多不便。
  从安全的角度提高化纤制品的质量最重要的是要解决静电问题，金属纳米微粒为解决这一问题提供了一个新的途径，在化纤制品中加入少量金属纳米微粒，就会使静电效应大大降低。德国和日本都制备出了相应的产品。
  化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌的作用。把Ag纳米微粒加入到袜子中可以清除脚臭味，医用纱布中放人纳米Ag粒子有消毒杀菌作用。 　　导电浆料是电子工业重要的原材料，导电涂料和导电胶应用非常广泛。
  德国不来梅应用物理所已申请了一项专利，即用纳米Ag代替微米Ag制成了导电胶，可以节省Ag粉50％，用这种导电胶焊接金属和陶瓷，涂层不需太厚，而且涂层表面平整，倍受使用者的欢迎。近年来，人们已开始尝试用纳米微粒制成导电糊、绝缘糊和介电糊等，在微电子工业上正在发挥作用。
  超微颗粒的熔点通常低于粗晶粒物体。例如银的熔点约为9000C，而超细的银粉熔 点可以降低到1000C。因此用超细银粉制成导电浆料，可以在低温进行烧结，此时基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可采用塑料等低温材料。
   　　纳米微粒还是有效的助燃剂。例如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1wt％超细铝或镰微粒，每克燃料的燃烧热可增加1倍；超细硼粉-高铬酸镀粉可以作为炸药的有效助燃剂；纳米铁粉也可以作为固体燃料的助燃剂。
  有些纳米材料具有阻止燃烧的功能，可以作为阻燃剂加入到易燃的建筑材料中，提高建筑材料的防火性。 　　纳米微粒也可用作印刷油墨。1994年美国马萨诸塞州XMX公司获得一项生产用于印刷油墨的、颗粒均匀的纳米微粒的专利。
  XMX公司正准备设计一套商业化的生产系统，不再依靠化学颜料而是选择适当体积的纳米微粒来得到各种颜料。 　　纳米粒子在工业上的初步应用也显示出了它的优越性。美国把纳米A12添加到橡胶中提高了橡胶的耐磨性和介电特性。
  日本把A12O3纳米颗粒加入到普通玻璃中，明显改善了玻璃的脆性。 　　我国科技工作者在制备Al合金时加入了A12O3纳米粒子，结果晶粒大大细化，强度和韧性都有所提高。无机纳米颗粒有很好的流动性，利用这种特性可以制备固体润滑剂。
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