納米化學Nanochemistry,邢艷東北師范大學化學學院膠體與界面化學研究所,2,一、引言及納米材料概述二、納米材料的特性三、納米材料的制備四、納米材料的表征五、納米材料的應用,3,你知道為什么荷葉上的水珠可以自由滾動而不粘在葉面上嗎？你知道為什么古代珍貴的“徽墨”可以經久不褪色嗎？黃金一定是黃色而白金（即鉑金）一定是白色的嗎？洗衣服很麻煩，現(xiàn)代科技能不能制出不會臟的衣服呢?有時候我們真的希望自己能夠隱身，真的有隱身衣嗎？它是用什么材料制成的呢?在電器商場，售貨員在介紹產品時經常會說他們的產品用的是納米材料，質量過硬，到底什么是納米材料呢？,4,Self-coatingsuperhydrophobicnano-surface,Thelotus,荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。每個乳突表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛，形成了納米、微米雙重結構。,自然界的納米材料,5,Geckoadhesivesystem,壁虎每只腳底部長著數(shù)百萬根極細的剛毛setae，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細的分支。這種精細結構使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產生分子引力。,6,Thebutterfly：atwo-dimensionalphotoniccrystal,蝴蝶翅膀上炫目的色彩。蝴蝶翅膀由兩層僅有3至4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體。通過這種結構，蝴蝶翅膀能捕捉光線，僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。,7,SerpentSeaStar,蛇尾海星身上面長滿了“眼”，即數(shù)以萬計的完美的微型透鏡，這樣，整個毛茸茸的身體就構成了海星眼觀六路的眼睛（5-10萬個）。它們都是由碳酸鈣的納米晶體組成；這種完美的光敏感微型透鏡系統(tǒng)，是海星生長過程中，身體表面納米結晶化的結果。,8,會吐絲的蜘蛛-自然界中的蜘蛛絲直徑有100納米左右，是真正的純天然納米纖維人體和獸類的牙齒蜜蜂的“羅盤”腹部的磁性納米粒子螃蟹的橫行磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂海龜在大西洋的巡航頭部磁性粒子的導航,9,什么是納米？什么是納米材料？什么是納米科學？,所謂納米是一種長度計量單位，1納米（nm）即1毫微米，是1米的10億分之一，約為10個原子的尺度。通常所說的納米是指尺度在1-100nm之間。納米材料就是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內（1-100nm）的材料或由它們作為基本單元（BuildingBlocks）組裝而成的結構材料。判斷一種材料是否為納米材料有兩個條件：一是看顆粒尺寸和晶粒尺寸是否小于100nm；二是看是否具有不同于常規(guī)材料的奇異性，二者缺一不可。納米科學是以納米尺度的結構基元為研究對象。納米材料的重要性取決于一個基本事實，即在納米尺度范圍內，許多材料的化學和物理性質隨材料尺寸減小而發(fā)生顯著變化，經常表現(xiàn)出既不同于原子分子、又不同于體相材料的特殊的電、光、磁、力學以至生物學等方面的性質。,10,著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼，1959年他在一次著名的講演“TheresPlentyofRoomattheBottom”中提出：“如果人類能夠在原子、分子的尺度上加工材料、制備裝置，我們將由許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)?！?納米第一人,11,納米紀事最早的納米材料：中國古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料；中國古代銅鏡的保護層：納米氧化錫1857年，法拉第制備出金納米顆粒1861年，膠體化學的建立1962年，久保（Kubo）提出了著名的久保理論上世紀七十年代末至八十年代初，開始較系統(tǒng)的研究1985年，Kroto和Smalley等人發(fā)現(xiàn)C601990年，在美國巴爾的摩召開第一屆納米科技會議1994年，在波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程,12,利用納米技術將氙原子排成IBM,1990年，美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子“寫”下了“IBM”（該公司的英文縮寫），這標志著納米技術從口頭預測走向實際研究和操作。,13,1991年，IBM公司用CO分子在鎳表面上構造了一個大頭娃娃的分子人，從頭到腳尺寸只有5nm,14,納米材料的發(fā)展歷史大致可分為三個階段：第一階段（1990年前）：主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成體相（包括薄膜），研究評估表征方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的性能。第二階段（1994年前）：研究熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。第三階段（1994年至今）：重點在于納米組裝體系。人工組裝合成的納米結構的材料體系越來越受到人們的關注。,納米材料的發(fā)展概況,15,1）系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結構和譜學特征，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論，發(fā)展和完善納米材料科學體系；2）發(fā)展新型的納米材料；3）納米材料的表征和操縱，開發(fā)新的實驗手段以提高測量和控制納米結構物質的能力；4）制備納米器件和系統(tǒng)，采用新的技術對納米結構的特性進行創(chuàng)新性的應用。,納米材料的研究內容,16,納米技術的目標是按照需要操縱原子、分子構建納米級的具有一定功能的器件或產品,（1）納米物理學；（2）納米化學；（3）納米材料學；（4）納米生物學；（5）納米電子學；（6）納米加工學（7）納米力學；（8）納米機電系統(tǒng),17,按結構：1）（準)零維納米材料：空間三維尺度均在納米尺度，如量子點，納米粒子,原子團簇；2）一維納米材料：指在空間有兩維處于納米尺度，如納米線（量子線）、納米棒、納米管、納米帶及納米纖維等；,納米材料的分類,18,3）二維納米材料：指在三維空間中有一維在納米尺度，超薄膜，納米片、超晶格等；4）三維納米材料：指由一維或二維納米材料按照一定規(guī)律組裝而形成的材料，如花形納米材料，海膽狀納米材料，樹枝狀納米分級結構納米孔材料,按組成：金屬納米材料、半導體納米材料、有機和高分子納米材料、復合納米材料,19,納米材料的結構單元,1、團簇物質由原子、分子構成，但原子、分子如何構成大塊物質，其中一個重要的過渡區(qū)就是團簇。團簇是介于微觀原子、分子與宏觀固體之間物質結構的新層次，具有奇特的物理化學性質。通常把粒徑小于1nm的粒子成為簇（cluster）。由幾個或數(shù)百個原子聚集而成的集合體成為原子團簇（atomcluster），如Fen、CunSm和碳簇（C60，C70，富勒烯）等，它們都是20世紀80年代發(fā)現(xiàn)的一類新物質。,20,碳的兩種同素異形體：石墨（C原子sp2雜化，幾何結構的最小單元是平行六邊形層狀結構）金剛石（C原子sp3雜化，幾何結構的最小單元是四面體，網(wǎng)狀結構）。,C60結構圖,C60由60個碳原子組成，有32個面，其中20個六邊形，12個五邊形。直徑0.71nm，很像足球，因此也被稱為巴基球。純C60固體是絕緣體，但用堿金屬摻雜后就呈現(xiàn)像金屬一樣的導電性甚至稱為超導體。,21,2、量子點（人造原子）量子點，電子運動在三維空間都受到了限制，因此有時被稱為“人造原子”、“超晶格”、或“超原子”，是20世紀90年代提出來的一個新概念。量子點是由有限數(shù)目的原子組成，三個維度尺寸均在納米數(shù)量級。量子點是在納米尺度上的原子和分子的集合體，既可由一種半導體材料組成，也可以由兩種或兩種以上的半導體材料組成。作為一種新穎的半導體納米材料，量子點具有許多獨特的性質。,22,全球著名化學家彭笑剛：量子點才是顯示的未來,量子點是人類至今發(fā)現(xiàn)的較好發(fā)光材料，量子點電致發(fā)光將是下一代顯示技術有利的競爭者?！比涨埃瘜W專家、浙江大學教授彭笑剛堅定地指出量子點代表顯示技術的未來。彭笑剛的自信，來自于量子點作為發(fā)光材料的重大開創(chuàng)性。據(jù)了解，量子點屬于一大類新材料溶液納米晶中的一種，尺寸在1-100納米之間，每一個粒子都是單晶。量子點的化學成分，保障發(fā)光顏色可以覆蓋從藍光到紅光的整個可見區(qū)，而且色純度高、連續(xù)可調，是具有突破性工業(yè)應用的材料。量子點發(fā)光材料對于顯示產業(yè)的幫助是極其大的，目前的量子點顯示設備，是氮化鎵LED與量子點結合的背光源產品。這種新型的背光源，讓顯示顏色的純度、色飽和度很高，是其它顯示技術難以企及的。,23,“量子點電視，正在成為目前納米技術進入到消費者生活中具有代表性的民用化技術。”彭笑剛如是說。在2014年12月，中國量子點電視由TCL正式發(fā)布，率先推開了全球彩電業(yè)量子點時代的大門。TCL推出的這款量子點電視，使用了色彩純凈的量子點光源作為背光源，在色域覆蓋率、色彩控制精確性、紅綠藍色彩純凈度上擁有非常出色的表現(xiàn)，可以達到110%的NTSC色域覆蓋率，遠高于OLED。彭笑剛表示，量子點電視顯示效果更純凈、更精準，有著得天獨厚的優(yōu)勢。,24,“量子點顯示的未來更加不可想象?！迸硇偨忉屨f。目前，國外的光致發(fā)光量子點電視研究，美國跟中國的水平相當。未來中國要做的是量子點電致發(fā)光，中國目前處于領先位置。正是在中國科學家不懈的推動下，量子點電致發(fā)光顯示成功列入戰(zhàn)略性先進電子材料國家重點專項中，成為國家戰(zhàn)略級的未來發(fā)展方向之一。此前兩會上，TCL集團董事長李東生在接受采訪時就表示，量子點將顯示技術從微米級提升到納米級，為顯示產業(yè)發(fā)展提供更多可能?！巴瑫r，我們也認為下一代顯示產品技術核心可能是印刷顯示技術。”李東生的觀點與彭笑剛不謀而合。至于實現(xiàn)以電致發(fā)光為基礎的量子點LED顯示時間表，彭笑剛說，“有望在五年左右實現(xiàn)，這是我們的目標。,25,碳量子點(carbondots，C-dots)，又稱碳點，是一類尺寸在10納米以下的新型碳納米材料，是一種類球形的碳顆粒。相較于金屬量子點材料，碳量子點幾乎是無毒的，對環(huán)境危害很小。碳量子點最突出的一個特點就是具有光致發(fā)光特性，通俗來說，具有良好水溶性的碳量子點在光照下，其自身會發(fā)出明亮的熒光。而且，它的光學穩(wěn)定性很好。,26,此外，碳量子點還可用于生物成像（Bioimaging)、光催化（photocatalytic）納米傳感器（Nanosensor）、免疫測定（Immunoassay）、光電子器件（Photoelectronicdevice）、離子檢測（Ionsdetection）等應用領域。3、納米微粒納米微粒（nanoparticles）是指顆粒尺寸為納米數(shù)量級的超細微粒，它的尺寸大小大于原子團簇，小于通常的微粉，處于原子團簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，一般在1-100nm之間。,27,納米微粒處于微觀與宏觀之間的介觀區(qū)域，具有許多常規(guī)材料難以表現(xiàn)的奇特物理化學性質，主要反映在小尺寸效應，表面效應，量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應四個方面。,二、納米材料的特性,28,Smallsizeeffect小尺寸效應,當納米微粒的尺寸與光波的波長、德布羅意波長、超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性邊界條件被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。光吸收顯著增加磁有序態(tài)向磁無序態(tài)、超導相向正常相轉變納米顆粒的熔點降低,29,Surfaceeffect表面效應,30,表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質上的變化。固體表面原子與內部原子所處的環(huán)境不同，前者的周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質，易與其他原子結合而穩(wěn)定下來。當粒子直徑逐漸接近原子直徑時，表面原子占總原子的百分數(shù)急劇增加，其作用就顯得異常明顯，如，當粒徑為10nm時，表面原子數(shù)占總原子數(shù)的百分比為99%納米材料所特有的這一表面效應，使其在與其它外來原子結合時表現(xiàn)出很高的化學活性。,31,金屬銅或鋁的納米顆粒一遇空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸(炸藥、火箭）一些無機納米微粒暴露在大氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應（儲氫材料）很大的比表面，加快化學反應過程（高效催化劑）,32,當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。,導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體光譜線會產生向短波長方向的移動(藍移）,33,Quantumtunnellingeffect宏觀量子隧道效應（納米微粒的基本理論）,隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力隧道效應是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應。,34,三、納米材料的制備（可控合成）,（如氣相沉積法、惰性氣體冷凝法、燃燒合成法等激光消融法等）,液相法,（如沉淀法、溶膠-凝膠法、微乳液法、微波法、模板法、電化學沉積法、金屬有機法、水熱或溶劑熱法、靜電紡絲法等）,固相法,（如固相物質熱分解法、高能機械球磨等）,液相合成方法具有操作簡單、可控性強、產物結晶性好、產量高等優(yōu)點。,合成方法（依據(jù)反應介質）,氣相法,35,溶膠-凝膠法是一種條件溫和的材料制備方法。溶膠-凝膠法(Sol-Gel法，簡稱SG法)就是以無機物或金屬醇鹽作前驅體，在液相將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經陳化，膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡結構的凝膠，凝膠網(wǎng)絡間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經過干燥、燒結固化制備出分子乃至納米亞結構的材料。,溶膠-凝膠法,36,溶膠-凝膠法的優(yōu)點：（1）由于原料被分散到溶劑中而形成低粘度的溶液，因此，在很短的時間內獲得分子水平的均勻性，在形成凝膠時，反應物之間很可能是在分子水平上被均勻地混合；（2）由于經過溶液反應步驟，那么就很容易均勻定量地摻入一些微量元素，實現(xiàn)分子水平上的均勻摻雜（3）需要較低的合成溫度存在問題：原料金屬醇鹽成本較高；有機溶劑對人體有一定的危害性；整個溶膠一凝膠過程所需時間較長，常需要幾天或好幾周；存在殘留小孔洞；存在殘留的碳；在干燥過程中會逸出氣體及有機物，并產生收縮。,37,水熱/溶劑熱法（Hydrothermal/Solvothermalmethod）,水熱法是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，以水溶液作為反應體系，通過對反應體系加熱、加壓（或自生蒸氣壓），創(chuàng)造一個相對高溫、高壓的反應環(huán)境，使得難溶或不溶的物質溶解并且重結晶而進行無機合成與材料制備的一種有效的方法。,水熱反應釜,38,水熱法具有以下優(yōu)點：（1）采用中溫（120200）液相控制，能耗低，適用性廣，既可用于尺寸較小的納米粒子制備，也可以得到尺寸較大的單晶；（2）原料相對廉價易得，反應在液相快速對流中進行，產率高、物相均勻、純度高、結晶良好，而且形狀大小可控；（3）在水熱過程中，可通過調節(jié)反應溫度、壓力、時間、pH值、前驅物和表面活性劑等以達到有效控制反應和晶體生長特性的目的；（4）反應在密封的容器中進行，適用于有毒體系中的合成反應，可減少環(huán)境污染。,39,但是水熱合成法也有其無法克服的局限性，最為明顯的一個缺點就是不適用制備對水敏感的化合物如半導體材料。在水熱法的基礎上，以有機溶劑代替水，采用溶劑熱反應來制備納米材料是水熱法的一種重大改進，可用于一些非水反應體系的納米材料的制備，從而擴大了水熱技術的適用范圍。目前，已經采用的有機體系主要包括：強絡合劑體系（如檸檬酸、EDTA等）、有機烷烴體系、有機醇體系（如乙醇、聚乙二醇等）、有機酸體系、有機胺體系（如乙二胺等）等等。,40,微乳液法,微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑（通常為醇類）和油類（通常為碳氫化合物）組成的透明的、各向同性的熱力學穩(wěn)定體系。根據(jù)分散相與連續(xù)相的不同,微乳液可分為“油包水(W/O)”和“水包油(O/W)”兩種類型。在微乳液中，微小的“水池”是被表面活性劑和助表面活性劑所構成的單分子層包圍成的微乳顆粒，其大小在幾納米至幾十納米之間，這些微小的“水池”彼此分離，構成“納米反應器”。以此為反應場所可以制備具有粒徑大小可控、粒子分散性好、分布窄等特點的納米微粒。,41,微波法,微波合成法是近年來發(fā)展起來的合成納米材料的新方法，不同于以往傳統(tǒng)方法，微波法利用干凈、便捷、廉價的反應體系在較短的反應時間內合成出較高質量的納米晶。因此，該方法具有反應時間短、加熱快速均勻，得到較小晶粒度的特點。,42,靜電紡絲法,Researcharticlespublishedonelectrospunnanofibresintissueregeneration,energyconversion(3)石墨烯片層沿平面方向導熱具有各向異性的特點(4)在室溫以上，導熱率隨著溫度的增加而逐漸減小,71,光學性質,2008年，Nair等人發(fā)現(xiàn)石墨烯在近紅外和可見光波段具有極佳的光透射性。他們將懸浮的石墨烯薄膜覆蓋在幾十個微米量級的孔洞上，發(fā)現(xiàn)單層石墨烯的透光率可達97.7%，而且透光率隨著層數(shù)的增加呈線性減少的趨勢。,72,3.制備方法,機械剝離法化學氣相沉積法SiC熱分解法氧化石墨烯還原法,73,機械剝離法:是一種反復在石墨烯上粘貼并揭下粘合膠帶來制備石墨烯的方法，缺點是很難控制所獲得的石墨烯片的大小及層數(shù)，而且只能勉強獲得數(shù)毫米見方的石墨烯片。優(yōu)點是可以獲得采用其他方法無法實現(xiàn)的極高品質石墨烯片還有人指出:“正是因為機械剝離法的出現(xiàn)才使得石墨烯的分離研究在短時間內取得了進展”。,74,化學氣相沉積法：大面積石墨烯制造的方法。在真空容器中將甲烷等碳源加熱至1000度左右使其分解，然后在Ni及Cu等金屬箔上形成石墨烯膜的技術2010年6月韓國宣布，開發(fā)出了可制備30英寸單層石墨烯的制造工藝以及采用這種石墨烯膜的觸摸面板.不過，在如此高溫下采用的工藝只能以分批處理的方式推進，這是該制造工藝的瓶頸而且這種工藝還存在反復轉印的過程中容易混入缺陷及雜質的問題.,75,SiC熱分解法：將SiC基板加熱至1300度左右后除去表面的Si,剩余的C自發(fā)性重新組合形成石墨烯片的工藝。,76,氧化石墨烯還原法：是目前制備石舉炕最熱門的方法，石墨在濃硫酸中在一定的條件下與強氧化劑反應，被氧化后在其片層間帶上羰基、羥基、環(huán)氧基等基團，使石墨層間距變大成為氧化石墨。氧化石墨經過適當?shù)某曁幚?，容易在水或有機溶刑中分散成均勻的單層或雙層氧化石墨烯溶液，最后用水合肼還原去除剩余的含氧官能團。雖然經過強氧化劑完全氧化過的石里并不一定能夠完全還原，導致其一些物理、化學等性能降低，但是，這種方法簡便且成本較低，可以制備大批量的石墨烯,77,78,石墨烯的制備,4、石墨烯的應用,4.1觸摸面板（透明導電膜）現(xiàn)在手機觸摸屏的工作層中不可缺少的材料為導電氧化物薄膜氧化錮錫。由于其透明性與導電性的優(yōu)秀結合，ITO被廣泛地應用于電子器件。然而ITO在使用過程中存在一些缺點：（1）ITO在可見光范圍內表現(xiàn)出不均勻光吸收，顏色偏黃不適合全波段工作（2）ITO易脆的性質使其不能滿足一些新應用（如可彎曲的LCD有機大陽能電池）的性能要求（3）ITO導電率較低，而且厚度較厚，不符合觸控市場更薄更輕的發(fā)展趨勢,79,(4)IT0的化學性質不穩(wěn)定，同時散熱性能較差，在大功率器件上的應用受到限制;（5）lT0材料具有毒性，不利于環(huán)保，同時銦是一種稀有元素，儲量低，價格也日益增長，對資源造成浪費，違背了未來綠色節(jié)能環(huán)保和市場經濟發(fā)展的必然性趨勢。,80,雖然石墨烯透明導電薄膜的研究還在初期階段，但是石墨烯在觸屏中具有明顯的應用優(yōu)勢，其主要優(yōu)點包括;（1）石墨烯幾乎是完全透明的，單層石墨烯薄膜從紫外可見到紅外波段的透光率均高達97.7%，因而不會偏色,81,（2）電導率與透光率的矛盾在石墨烯透明電極中可得到很好的解決.石墨烯材料僅一個碳原子層厚，其載流子遷移率極高，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的電導率最高的材料;（3）石墨烯薄膜具有極高的力學強度，并且非常柔軟;（4）石墨烯的化學性質穩(wěn)定、性能受環(huán)境的影響較小:（5）石墨烯是單原子層的碳材料，不存在毒性，對環(huán)境也無污染，符合綠色環(huán)保的要求（6）自然界碳元素含量非常豐富，因此采用石墨烯作為電極，原材料的限制較小。4.2散熱薄膜4.3在導電油墨和印刷電子領域的應用,82,4.4超級電容器,是一種類似于電池.可以進行充放電的未來新型儲能裝置儲能原理方面與電池的唯一區(qū)別是:超級電容器（雙電層類型的超級電容器僅依靠物理吸附而不是通過化學反應。超級電容器的優(yōu)勢體現(xiàn)在瞬時功率、壽命、穩(wěn)定性方面。劣勢為低能量密度，高價格。良好的導電性高比表面積優(yōu)異的柔韌性良好的機械性能,83,4.5鋰離子電池(成熟，性價比),石墨烯在鋰電池上主要有三種應用1)在正負極材料中作為導電添加劑2)在銅箔或鋁箔中作為功能涂層3)用作負極材料作為電極材料,84,在應用如Si、Sn等先進材料作為電池負極時，有一個很大的障礙就是充放電過程中體積膨脹率很高（可達400%）從而導致電極粉碎或者電池容量快速衰減，用石墨烯包覆這些納米材料可以良好地解決體積膨脹問題。,85,4.6控制污染,浙江大學的高超教授的課題組將含有石墨烯和碳納米管兩種納米材料的水溶液在低溫環(huán)境下凍干，去除水分、保留骨架，得到了世界上最輕的材料一石墨烯全碳氣凝膠，密度只有0.16毫克每立方厘米。在電子顯微鏡下，碳納米管和石墨烯共同支撐起無數(shù)個孔隙，“就像大型體育場館等大型空間結構，用鋼筋做支架，用高強度的薄膜等做墻壁，材料整體既輕且強。在這里，碳納米管就是支架，石墨烯就是墻壁。它還是處理污染的絕佳材料，能吸附石油，現(xiàn)有的吸油產品一般只能吸收自身質量10倍的有機溶劑，而“全碳氣凝膠”的吸收量可高達自身質量的900倍。,86,4.7海水淡化,麻省理工大學材料科學與工程教授研究了一種海水淡化的新方法:由石墨烯制成的過濾器將有效提高能源利用率，近50年來，海水淡化使用的是聚酰胺薄膜過濾器，相比之下，海水通過石墨烯單原子層過濾器時，受到的阻力將更小:Crossman解釋道“石墨烯過濾器能夠很好的把控水壓，滲透性能好。作為重要的海水談化工序，通過水泵將海水注入過濾器將消耗整個工廠運作成本的一般。而石墨烯過濾器，該過程成本將降低50%,87,由于聚酰胺薄膜過濾器需要經常清潔，清潔劑包含的氯元素將破壞聚酞胺的結構完整性，進而導致、一系列設備維護、更新問題。石墨烯過濾器能抵御海水中微生物生長造成的破壞，也不會受氯元素的影響。用石墨烯替代聚酰胺薄膜過濾器的方法十分簡單，僅需將過濾器安裝在堅固的聚以支架上，聚礬具有較大的原子間隙，可過濾掉大顆粒雜質。,88,4.8其他應用,中國的科研人員發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯的紙上無法生長，而人類細胞則不會受損利用這一點可以利用它來做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。,89,納米光催化材料,降解污染物光催化產氫,90,隨著工業(yè)的發(fā)展，人類本已有限的水資源受到日益嚴重的污染，清除水體中的有毒有害化學物質，如鹵代烴、農藥、表面活性劑等成為環(huán)保領域的一項重要工作。根據(jù)污染物在處理過程中的變化特征，可將廢水處理分為3種類型，即分離處理，轉化處理和稀釋處理。分離處理只是將污染物從一相轉移到另一相，不能使污染物得到徹底分解或無害化。有的方法還存在著二次污染的問題。稀釋處理只是通過稀釋廢水來減輕水體的污染，既未把污染物分離，也不會改變污染物的化學性質。轉化處理則是通過化學的或生化的作用改變污染物的化學本性，使其轉化為無害的或可分離的物質。,91,但目前的轉化處理方法大多是針對排放量大，濃度較高的污染物，對于水體中濃度較低，難以轉化的優(yōu)先污染物的凈化還無能為力。光催化降解技術卻為這一問題的解決提供了良好的途徑。Matthews等人曾對水中34種有機污染物的光催化分解進行了系統(tǒng)地研究，結果表明光催化氧化法可將水中的烴類，鹵代物，羥酸快速完全轉化為CO2和H2O等無害物質。常溫常壓下進行能徹底破壞有機物沒有二次污染費用不高,92,從光合作用這種最簡單的光催化反應，總結下一個光催化反應發(fā)生的三個基本條件：光催化劑葉綠素光特定波長范圍（400-600nm），非所有光都可以反應物CO2和H2O光催化凈化反應的三個基本條件光催化劑一般為半導體材料光也是特定波長范圍，非所有光都可以。一般處于紫外線范圍的光的效果最佳反應物室內空氣中的有機物,93,目前，用于光催化降解環(huán)境污染物的催化劑多為N型半導體材料，如TiO2，ZnO，CdS，WO2，SnO2，F(xiàn)e2O3等。其中TiO2因其活性高，穩(wěn)定性好，廉價，對人體無害而成為最受重視的一種光催化劑。實驗表明，TiO2至少可以經歷12次的反復使用而保持光分解效率基本不變，連續(xù)580min光照下保持其光活性。因而將其投入實際應用有廣闊的發(fā)展前景。,94,半導體的能帶結構,半導體存在一系列的滿帶，最下面的滿帶稱為價帶（VB）；存在一系列的空帶，最上面的空帶稱為導帶（CB）；價帶和導帶之間稱為禁帶。當用能量等于或大于禁帶寬度（Eg）的光照射時，半導體價帶上的電子可被激發(fā)躍遷到導帶，同時在價帶上產生相應的空穴，這樣就在半導體內部生成電子（e-）空穴（h+）對。,95,可看成石榴石榴籽：光生電子除去石榴籽留下的空洞：空穴,96,TiO2的禁帶寬度Eg為3.2ev，根據(jù)光與能量的關系E=hv可知，將TiO2上價帶中電子激發(fā)到導帶上則需要波長小于387.5nm的光照射。位于該波長范圍的光為紫外光。當用紫外光照射TiO2時，其價帶中電子將被激發(fā)到導帶上，這樣的電子稱為光生電子（e-），同時在價帶上留下空穴（h+）：空穴是很好的氧化劑，耳光電子是很好的還原劑，在光催化過程中它們分別與表面吸附的H2O、O2反應生成活性很高的羥基自由基（-OH）和超氧離子自由基（-O2-），這些活性很高的自由基就會和水體中的有機染料等污染物反應，生成小分子H2O和CO2，這就是TiO2的光催化降解的原理,97,TiO2+hvTiO2+h+e-h+e-復合+能量O2+e-O2-H2O+O2-OOH+OH-2OOHO2+H2O2OOH+H2O+e-H2O2+OH-H2O2+e-OH+OH-OH-和O2-對作用物幾乎無任何選擇性，可以氧化生物法難以降解的各種有機物，并使之礦化為CO2，H2O等無機小分子。,98,TiO2在自然界中存在三種晶型，分別為銳鈦礦、金紅石、板鈦礦。金紅石型TiO2最穩(wěn)定，銳鈦礦在低溫下比較穩(wěn)定，高溫下易轉化為金紅石型，而板鈦礦屬于無定形態(tài)，在高溫下很不穩(wěn)定，在600C時，容易轉化成金紅石。一般認為銳鈦礦TiO2光催化能力最強，和其他二者相比，其對氧的吸附能力比較強，光生電子和空穴的再結合速率相對要慢，在光催化中應用比較廣泛。,99,納米TiO2與環(huán)境保護,（1）降解空氣中的有害有機物對室內主要的氣體污染物甲醛、甲苯等的研究結果表明，光催化劑可以很好的講解這些物質。其中納米TiO2的降解效率最好，將近達到100%。在光照條件下，將這些有害物質轉化為二氧化碳，水和有機酸。將來TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產業(yè)的工業(yè)廢氣處理改善廠區(qū)周圍空氣質量（2）降解有機磷農藥有機磷農藥是70年代發(fā)展起來的農藥品種，占我國農藥產量的80%，它的生產和使用會造成大量有毒廢水這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。,100,（3）處理毛紡染料廢水用納米TiO2催化降解技術來處理毛紡染料廢水，具有省資，高效，節(jié)能，最終能使有機物完全礦化，不存在二次污染等特點，顯示出良好的應用前景。（4）解決石油污染的問題在石油開采運輸和使用過程中有相當數(shù)量的石油類物質廢棄在地面，江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加