第六章納米材料的典型應(yīng)用第一節(jié)化工催化領(lǐng)域的納米材料貴金屬：金（Au）、銀（Ag）、鉑（Pt）、鈀（Pd）、銠（Rh）、鋨（Os）、釕（Ru）和銥（Ir）第一節(jié)、貴金屬納米材料在化工催化領(lǐng)域的應(yīng)用貴金屬納米材料對(duì)于燃料電池的陽極和陰極都具有較高的催化作用。相對(duì)于塊體材料，貴金屬納米材料具有較高的比表面積、豐富的活性位點(diǎn)，其催化活性較前者有很大的增強(qiáng)，貴金屬的利用率也得到了提高。一、貴金屬納米材料在燃料電池中的應(yīng)用燃料電池主要包含四個(gè)主要部件：涂覆了電催化劑的陰極和陽極、陰陽極之間的電解質(zhì)隔膜和集流板Pt作為催化效率最高的催化劑被眾多的學(xué)者所關(guān)注，與其他金屬催化劑相比，鉑族催化劑具有活性高，壽命長(zhǎng)，可以重新回收利用等特點(diǎn)。與鉑基納米催化劑相比，鈀基納米催化劑由于其較低的成本，較高的利用率以及較好的抗CO中毒能力使其成為能夠替代高成本鉑基納米催化劑的首選材料，鈀納米粒子對(duì)于甲醇、乙醇、甲酸等小分子活性物質(zhì)具有較高的催化作用。貴金屬納米催化劑與其他材料結(jié)合，形成復(fù)合材料。在材料的選擇方面，需要其具有較好的導(dǎo)電性，而碳材料則是的優(yōu)良電子傳輸材料，因此被人們所關(guān)注。碳納米材料主要包括碳納米管和碳納米纖維等，而近年來大熱的碳材料則為石墨烯材料。因此，大量的科學(xué)家開始將鈀基貴金屬催化劑與石墨烯進(jìn)行結(jié)合，力求達(dá)到更好的催化效果二、貴金屬?gòu)?fù)合納米材料在電解水中的應(yīng)用貴金屬Pt被認(rèn)為是最先進(jìn)的HER催化劑，但其高成本和稀缺性阻礙了其商業(yè)應(yīng)用。為了更加合理高效的利用Pt催化劑，可以通過在低成本材料上沉積單層鉑來提高Pt的催化性能。Rh（銠），Ru（釕）和Ir（銥）是重要的鉑族金屬之一，Rh基納米復(fù)合材料具有催化活性高、選擇型好等優(yōu)點(diǎn)，引起了廣泛的關(guān)注大多數(shù)貴金屬納米復(fù)合材料與商用Pt/C催化劑相比，不僅減少了貴金屬的使用量，而且在電解水過程中對(duì)HER和OER均表現(xiàn)出良好的電催化活性，同時(shí)具有較高的穩(wěn)定性和耐久性，是電解水反應(yīng)的理想催化劑三、貴金屬納米材料在光催化中的應(yīng)用能源危機(jī)和環(huán)境污染是21世紀(jì)人類面臨和亟待解決的重要問題。光催化過程直接利用太陽能作為光源驅(qū)動(dòng)反應(yīng)，是一種理想的清潔能源生產(chǎn)技術(shù)和環(huán)境污染治理技術(shù)。基于貴金屬區(qū)域表面等離子體共振效應(yīng)(LSPR)，貴金屬在可見光照射下產(chǎn)生光激發(fā)電子，在肖特基勢(shì)壘作用下能夠大部分轉(zhuǎn)移至TiO2導(dǎo)帶，而光生空穴被誘捕于貴金屬表面，從而實(shí)現(xiàn)光生載流子的有效分離，降低光生載流子符合率，TiO2導(dǎo)帶捕獲的光生電子能夠用于還原氫，亦或者促使氧氣分子轉(zhuǎn)變成高活性的氧氣負(fù)離子，同時(shí)貴金屬上存在的光生空穴可以促使體系中物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。四、貴金屬納米材料在工業(yè)催化中的其他應(yīng)用從無機(jī)和有機(jī)反應(yīng)方向分析，貴金屬納米材料還可以應(yīng)用在工業(yè)上的氧化反應(yīng)、氫化反應(yīng)以及Suzuki歐聯(lián)等有機(jī)反應(yīng)中。作為高效的貴金屬納米催化劑，Pt基催化劑在工業(yè)催化領(lǐng)域中的發(fā)展也是非常重要的。第二節(jié)、過渡金屬氧化物納米材料在化工催化領(lǐng)域的應(yīng)用超級(jí)電容器鋰離子電池傳感器電化學(xué)析氫催化劑一、電化學(xué)應(yīng)用固體推進(jìn)器應(yīng)用光催化應(yīng)用傳感器二、其他應(yīng)用第二節(jié)能源納米材料壓電納米材料熱電納米材料光電納米材料能源納米材料壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)相對(duì)表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷。當(dāng)外力去掉后，它又會(huì)恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。相反，當(dāng)在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)發(fā)生變形，電場(chǎng)去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。一、壓電納米材料1.1、

壓電效應(yīng)間接與直接壓電效應(yīng)1.2、

壓電材料壓電材料的應(yīng)用可以分為兩類：即利用正壓電效應(yīng)的震動(dòng)能或超聲震動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能的換能器和利用逆壓電效應(yīng)的傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。比如，麥克風(fēng)上的壓電晶片利用壓電晶體的正壓電效應(yīng)將聲波的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電流的變化，而接收端的壓電晶體利用逆壓電效應(yīng)又可將接收的無線電波信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲波；日常生活中的用到的打火機(jī)，煤氣灶打火開關(guān)等則是利用壓電陶瓷將外力轉(zhuǎn)換成電能的特性；生物醫(yī)療中的超聲波成像利用了具有柔韌特性的壓電聚合物的逆壓電效應(yīng)等等。從材料的形態(tài)分類，壓電材料可以分為壓電塊體材料和壓電納米材料。1.2、

壓電材料壓電材料中施加的應(yīng)力T和由此產(chǎn)生的電極化P的比例關(guān)系如下：

P=d·T(1)其中，d對(duì)應(yīng)于壓電系數(shù)張量。壓電系數(shù)是材料組成的函數(shù)，并取決于晶體的方向。它們用dij表示，其中，下標(biāo)i和j分別表示生成的極化和施加的應(yīng)力的方向。1.2、

壓電材料(a)特征壓電材料的單元格；(b)特定頻率(f)下的脈沖超聲波的典型特征壓電納米發(fā)電機(jī)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域太陽能電池1.3、壓電納米材料應(yīng)用壓電納米發(fā)電機(jī)隨著人們生活水平與生活質(zhì)量的提高，智能可穿戴設(shè)備開始涌進(jìn)大眾生活，并得到快速發(fā)展，對(duì)柔性耐用電源的需求正在不斷增加。由于電子設(shè)備的功耗日趨微小，將太陽能、熱能和機(jī)械能等環(huán)境能量轉(zhuǎn)化成微弱電能以驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備成為可能。氣候狀況限制了太陽能的采集，而收集熱能又很低效，它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的效果并不是很理想。相比之下，從人體運(yùn)動(dòng)中采集機(jī)械能的可行性更大。目前，主要用兩種方式來采集環(huán)境中的機(jī)械能：摩擦納米發(fā)電機(jī)和壓電納米發(fā)電機(jī)，兩者均能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。1.3、壓電納米材料應(yīng)用壓電納米發(fā)電機(jī)未來研究方向(1)在壓電材料中引入其他功能材料，如熱釋電、光電、摩擦電、電磁屏蔽材料等，以賦予PNG多種功能，提升PNG的綜合輸出性能和拓寬其應(yīng)用范圍。(2)將壓電理論與摩擦電、熱釋電、光電等發(fā)電理論結(jié)合，探究不同材料性能表現(xiàn)間的相互關(guān)系，明確不同材料的耦合作用，如電荷存在狀態(tài)的變化過程、電荷轉(zhuǎn)移方向、分子構(gòu)型對(duì)電荷轉(zhuǎn)移的影響、不同材料在宏觀結(jié)構(gòu)上的匹配方式等，以豐富PNG及其混合器件的基礎(chǔ)理論，指導(dǎo)PNG及其混合器件的研制與優(yōu)化，研制具有多源能量采集能力的混合納米發(fā)電機(jī)。(3)依據(jù)非常規(guī)應(yīng)用的性能需求，創(chuàng)新構(gòu)思、開放設(shè)計(jì)PNG及其混合器件的結(jié)構(gòu)，如工業(yè)領(lǐng)域的便攜式設(shè)備、紡織領(lǐng)域的智能可穿戴設(shè)備與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的自驅(qū)動(dòng)心臟起搏器等，以提高其對(duì)機(jī)械能的感應(yīng)能力和傳感靈敏度，擴(kuò)寬應(yīng)用范圍，提升應(yīng)用價(jià)值。(4)將采能模塊、儲(chǔ)能模塊、輸能模塊集成，實(shí)現(xiàn)PNG及其混合器件的微型化，并探索更為便捷、有效的封裝方法，構(gòu)建完全柔性的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高輸出性能、高功率、高轉(zhuǎn)化效率的高效能目標(biāo)。1.3、壓電納米材料應(yīng)用生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)源性電場(chǎng)在細(xì)胞生理學(xué)中起著至關(guān)重要的作用，不僅在神經(jīng)和肌肉中動(dòng)作電位的產(chǎn)生和傳播中，而且在控制其他細(xì)胞中功能，如增殖、形態(tài)學(xué)、基因表達(dá)、分化和遷移等。電刺激作為一種治療工具，可以在不同的生物醫(yī)學(xué)中如神經(jīng)調(diào)節(jié)、再生醫(yī)學(xué)和癌癥治療中具有令人興奮的應(yīng)用潛力。迄今為止，基于電刺激的治療需要侵入性經(jīng)皮電極或經(jīng)皮設(shè)備，這通常缺乏療效和空間分辨率。壓電納米材料可以克服當(dāng)前電刺激程序的局限性，因?yàn)樗鼈兛梢酝ㄟ^超聲波等外部能源無線激活。1.3、壓電納米材料應(yīng)用1.3、壓電納米材料應(yīng)用超聲波介導(dǎo)的壓電納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用太陽能電池為了減少碳排放和保護(hù)大氣環(huán)境，人們急需尋找綠色可再生能源技術(shù)。光伏技術(shù)就是很好的方法，光管理和載流子管理是提高太陽能電池性能的兩種主要途徑。近年來，研究人員證明了在壓電光電子學(xué)效應(yīng)的幫助下，太陽能電池的性能可以得到有效增強(qiáng)，這得益于壓電納米材料對(duì)光吸收的有效促進(jìn)以及壓電勢(shì)、壓電極化電荷對(duì)載流子輸運(yùn)性能的有效增強(qiáng)。1.3、壓電納米材料應(yīng)用1.3、壓電納米材料應(yīng)用壓電光電子學(xué)效應(yīng)在不同維度納米結(jié)構(gòu)太陽能電池中的應(yīng)用二、熱電納米材料室溫附近熱電納米材料中溫區(qū)熱電納米材料高溫區(qū)熱電納米材料三、光電納米材料無機(jī)光電材料有機(jī)光電材料復(fù)合光電材料3.1、光電納米材料的應(yīng)用太陽能電池發(fā)光二極管光電探測(cè)器光電催化光電化學(xué)生物傳感器第三節(jié)環(huán)境領(lǐng)域的納米材料內(nèi)容納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用01納米材料在環(huán)境污染物吸附去除中的應(yīng)用主要有以下三項(xiàng)，即：有機(jī)化合物的吸附、重金屬離子的吸附、無機(jī)陰離子的吸附。有機(jī)化合物的吸附：目前已經(jīng)提出的碳納米材料吸附有機(jī)物的作用力有五種，包括疏水作用、π-π相互作用、氫鍵、共價(jià)鍵與靜電作用，其作用力大小與碳納米材料和有機(jī)物的性質(zhì)有關(guān)。

納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附011）疏水作用：碳納米材料（如多壁碳納米管MWCNTs等）吸附有機(jī)污染物，特別是疏水性有機(jī)污染物的主要作用力。例如，環(huán)己烷不能與碳納米顆粒形成氫鍵和π-π相互作用，因此由范德華力產(chǎn)生的疏水作用力是碳納米材料吸附環(huán)己烷的主要作用力。2）π-π相互作用：在帶有苯環(huán)的納米材料表面吸附含有C=C鍵的有機(jī)污染物分子中起到重要的作用。這些有機(jī)污染物分子中的π電子能與納米材料表面苯環(huán)中的π電子形成π-π相互作用。例如，芳香族化合物被石墨烯吸附時(shí)，石墨烯表面與化合物形成的主要就是π-π相互作用，這種作用可以通過核磁共振（NMR）、拉曼（Raman）、熒光等技術(shù)驗(yàn)證。

納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附013）有機(jī)物分子中的-COOH、-OH、-NH2可作為氫供體，碳納米材料表面的苯環(huán)作為氫受體，兩者相互作用可形成氫鍵。4）有機(jī)污染物和納米材料表面若均帶有-COOH、-OH、-NH2等官能團(tuán)，它們之間就能形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵的鍵能大，作用力強(qiáng)，納米材料可以通過羧基化、重氮化、酰胺化、自由基反應(yīng)、氟化和酯化等反應(yīng)與有機(jī)污染物形成共價(jià)鍵。5）靜電作用力與有機(jī)物和納米材料的電荷性質(zhì)有關(guān)。若有機(jī)污染物和納米材料表面帶相反的電荷，兩者之間便會(huì)產(chǎn)生靜電吸引力；反之，兩者帶同種電荷就會(huì)產(chǎn)生靜電斥力。例如，在高pH的條件下，天然有機(jī)質(zhì)和酚類化合物電離為陰離子，而碳納米材料自身帶負(fù)電荷，兩者之間便形成靜電斥力，會(huì)導(dǎo)致污染物吸附量減少。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附01影響納米材料吸附速率及吸附能力的因素主要包括：納米材料的性質(zhì)、有機(jī)污染物的性質(zhì)、環(huán)境因素（包括pH、離子強(qiáng)度以及溶解性有機(jī)質(zhì)等）。1）納米材料的性質(zhì)：納米材料的比表面積是評(píng)價(jià)其吸附能力的一個(gè)重要指標(biāo)。例如，對(duì)比三種表面積不同的納米材料（SWCNTs、MWCNTs、fullerene）對(duì)有機(jī)污染物菲的飽和吸附量與三者的比表面積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)比表面積越大，對(duì)菲的飽和吸附量越大?？紫抖纫约翱讖健⒖兹莸纫彩俏讲牧陷^為重要的物理性質(zhì)。例如，隨著MWCNTs孔徑和體積的增大，其對(duì)溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）的吸附量也增加。納米材料的吸附性能還取決于其表面化學(xué)性質(zhì)。研究表明，表明氧化處理會(huì)減弱碳納米管對(duì)萘、氯酚和間苯二酚的吸附。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附012）有機(jī)污染物的性質(zhì)：有機(jī)污染物的分子大小、形狀構(gòu)型決定了有機(jī)物如何利用納米材料的吸附位點(diǎn)。例如，采用碳納米管（CNTs）吸附硝基化合物時(shí)，有機(jī)物分子大小對(duì)吸附速率有較大影響，大分子有機(jī)物有較高的吸附能。另外，分子結(jié)構(gòu)不同的有機(jī)物與非均質(zhì)表面有不同的相互作用力。例如，有機(jī)污染物在CNTs表面的吸附親和力大小順序?yàn)榉菢O性脂肪烴<非極性芳烴<硝基芳烴。對(duì)硝基芳烴吸附作用最強(qiáng)的原因可能是硝基芳烴作為π電子受體，高極性石墨片層作為π電子供體，兩者組成了π-π電子供體受體體系；非極性芳烴比非極性脂肪烴更易被吸附則是由于芳香烴中的π電子可與石墨片層的π電子進(jìn)行耦合。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附013）環(huán)境因素：

溶液pH、離子強(qiáng)度等環(huán)境因素能夠顯著影響著納米材料對(duì)有機(jī)化合物的吸附。其中，pH主要通過影響可離解有機(jī)物及納米材料表明官能團(tuán)的電離程度而影響吸附。pH升高，電離程度增大，溶解度增大、親水性增強(qiáng)。例如，CNTs對(duì)環(huán)境中的天然有機(jī)物或間苯二酚、除草劑等有機(jī)污染物的吸附隨著pH的升高而降低。而離子強(qiáng)度對(duì)納米材料吸附有機(jī)化合物的影響研究相對(duì)較少。理論上分析，離子強(qiáng)度能影響納米材料表面的雙電層厚度及可離子化有機(jī)化合物的電離程度，從而可在一定程度上影響吸附作用，特別是靜電吸附作用，但對(duì)不可解離的非極性有機(jī)化合物的吸附作用影響應(yīng)該不顯著。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——有機(jī)化合物的吸附10

重金屬污染廢水的處理方法主要有化學(xué)沉淀、氧化還原、溶劑萃取分離、膜分離、離子交換處理、生物處理以及吸附等方法。其中，吸附法作為一種重要的物理化學(xué)方法，在重金屬?gòu)U水處理中已有應(yīng)用。

納米材料對(duì)重金屬的吸附機(jī)理主要包括四種，分別是靜電作用化學(xué)絡(luò)合陽離子-π作用離子交換。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——重金屬離子的吸附101）納米材料對(duì)金屬離子的靜電吸附主要通過納米材料表面的負(fù)電荷與金屬離子的正電荷形成的靜電作用力。水體中的納米材料表面具有雙電層結(jié)構(gòu)。當(dāng)溶液中的pH較高時(shí)，納米材料表面帶負(fù)電荷，帶正電荷的金屬離子便可以通過靜電作用力進(jìn)入納米材料的雙電層，此時(shí)雙電層被壓縮，納米材料的絕對(duì)ζ電位減小。2）納米材料表面的含氧官能團(tuán)與重金屬離子的化學(xué)絡(luò)合是納米材料吸附重金屬的重要作用力。水溶液中，金屬離子以水合離子形式存在：當(dāng)中心金屬原子與吸附材料表面含氧官能團(tuán)的鍵合作用較強(qiáng)時(shí)，水合金屬離子部分脫水，形成內(nèi)層表面配合物。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——重金屬離子的吸附123）納米材料表面的離域π電子可以充當(dāng)Lewis酸，而水合重金屬離子可充當(dāng)Lew酸，Lewis酸和Lewis堿之間形成陽離子-π作用。例如，疏水性的CNTs表面接近電中性，其外表面雙電層與金屬離子通過陽離子-π作用，從而吸附重金屬。4）納米材料表面的雙電層內(nèi)存在一定量的電解質(zhì)離子，重金屬離子可與這些電解質(zhì)離子發(fā)生離子交換而被吸附，也可以與納米材料表面酸性官能團(tuán)中的H+發(fā)生交換形成絡(luò)合物。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——重金屬離子的吸附12影響其吸附水溶液中重金屬的重要因素主要有：納米材料的物理性質(zhì)（大小、表面積以及表面電荷等）和化學(xué)性質(zhì)（表面官能團(tuán)、雜質(zhì)）、重金屬的性質(zhì)（離子半徑、化合價(jià)、電荷與離子半徑比以及電負(fù)性）、溶液pH值。納米材料具有高的表面積，能為重金屬的吸附提供較多的位點(diǎn)。納米材料表面電荷的性質(zhì)及大小對(duì)其吸附重金屬有重要影響。重金屬離子更容易吸附到帶較多負(fù)電荷的納米材料表面，凈電荷差異越大，越有利于吸附。重金屬的性質(zhì)包括離子半徑、化合價(jià)、電荷與離子半徑比以及電負(fù)性等均能影響其在納米材料表面的吸附。溶液pH會(huì)影響納米材料表面的電荷性質(zhì)與電荷量.溶液pH也能改變重金屬離子的存在形態(tài)而影響其吸附。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——重金屬離子的吸附12納米材料對(duì)無機(jī)陰離子的吸附研究較少，其吸附機(jī)理主要包括有三種，即：靜電作用、化學(xué)絡(luò)合作用、離子交換作用。1）無機(jī)陰離子帶負(fù)電荷，能夠在靜電引力下進(jìn)入帶正電荷的納米材料的雙電層。通過靜電作用吸附到納米材料表面的陰離子會(huì)壓縮雙電層，從而減小納米材料的ζ電位絕對(duì)值。2）一定pH條件下，陰離子還可以與納米材料表面的—M-OH2+和—M-OH等官能團(tuán)發(fā)生化學(xué)絡(luò)合作用。3）此外，當(dāng)納米材料表面呈電中性時(shí)，陰離子還可以通過離子交換作用被吸附。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，Al2O3/CNTs復(fù)合材料能夠強(qiáng)烈吸附水中的F-，主要是由于Al2O3在水中的脫質(zhì)子化和羥基化作用，使其表面形成了—Al-OH2+和—Al-OH等官能團(tuán)，可以同時(shí)通過靜電作用、化學(xué)絡(luò)合作用以及離子交換作用吸附F-。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——吸附去除水中無機(jī)陰離子2）溶液的pH會(huì)影響納米材料的表面電荷性質(zhì)及陰離子的離解程度，從而影響兩者間的吸附作用。研究表明（如下圖），Al2O3/CNTs吸附F-時(shí)，pH≤3.0及pH≥10.0時(shí)吸附作用較弱。這是因?yàn)閜H＜3.0時(shí)，Al2O3會(huì)溶解為Al3+，與F-絡(luò)合形成AlF2+、AlF2+等帶電的絡(luò)合物，與帶正電荷的CNTs表面相互排斥；當(dāng)pH＞10.0時(shí)，溶液中大量的OH-會(huì)與F-產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附。12與吸附有機(jī)污染物和重金屬類似，影響納米材料吸附無機(jī)陰離子的因素主要有：納米材料比表面積和電荷性質(zhì)。1）一般來說，納米材料的比表面積越大，可以提供的吸附位點(diǎn)越多，對(duì)環(huán)境中污染物的吸附容量越大。納米材料在污染物吸附去除中的應(yīng)用——吸附去除水中無機(jī)陰離子----不同pH及不同氟離子濃度條件下Al2O3/CNTs對(duì)氟離子的吸附量12隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展，新的難降解污染物不斷出現(xiàn)，廢水經(jīng)過處理后達(dá)標(biāo)排放，仍可能存在生物毒性。納米技術(shù)在以催化材料為核心的電催化、光催化、催化臭氧氧化等污染控制領(lǐng)域受到高度關(guān)注。

電催化反應(yīng)，通常指在電場(chǎng)作用下，電極表面發(fā)生的一系列由電子轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)，其中電極材料起到催化劑的作用，可以降低反應(yīng)活化能或提供新的反應(yīng)路徑，從而起到加速反應(yīng)，或使本不能發(fā)生的反應(yīng)得以進(jìn)行的作用。與塊體電催化電極材料不同，納米材料顆粒尺寸與雙電層厚度及電子隧道傳輸距離等電化學(xué)參數(shù)接近，對(duì)雙電層結(jié)構(gòu)、電荷遷移動(dòng)力學(xué)和傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生有益影響，進(jìn)而表現(xiàn)出更高的電催化活性和可控的選擇性。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米電催化材料121）貴金屬催化劑的尺寸減小到納米尺度后，各晶面暴露在表面的比例發(fā)生變化，如果暴露晶面的催化活性高，催化劑性能提高。但也可能造成催化劑失活。如Pt顆粒，對(duì)于氧分解反應(yīng)，Pt（111）面的催化活性高于（100）面，當(dāng)顆粒尺寸減小到2nm時(shí)，（111）面暴露最多，催化活性最高；繼續(xù)減小尺寸，（111）面的完整性被破壞，催化活性開始降低。2）金屬氧化物電極的構(gòu)成方式一般是在金屬基體上沉積微米或幾百納米尺度的金屬氧化物（TiO2、PbO2、SnO2）顆粒形成薄膜電極。這類電極比石墨導(dǎo)電性好且更穩(wěn)定，催化性能可控制。因此金屬氧化物納米電催化材料在電催化污染控制領(lǐng)域有一定實(shí)際應(yīng)用。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米電催化材料12納米光催化劑氧化能力增強(qiáng)，且納米材料尺寸減小后光生電荷遷移到催化劑表面的路徑變短，增加了有效分離的機(jī)會(huì)。

以TiO2為例，如果照射此半導(dǎo)體催化劑的光能量等于或大于半導(dǎo)體，那么會(huì)激發(fā)價(jià)帶電子（e-）至導(dǎo)帶中，進(jìn)而產(chǎn)生空穴（h+)。在電場(chǎng)作用下，空穴和電子分離，遷移至粒子表面不同位置中。而空穴、電子和TiO2表面水會(huì)發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而讓H2O氧化成·OH自由基，電子本身的還原性可以還原TiO2固體表面O2為活性氧，此類活性物質(zhì)存在還原作用與氧化作用，進(jìn)而完成光催化降解。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米光催化材料12納米光催化材料包括納米異質(zhì)結(jié)材料、光子晶體、金屬有機(jī)框架（MOF）光催化材料等。這些材料都是圍繞著光吸收、電荷分離和表面反應(yīng)三個(gè)方面提高能量效率的。1）納米異質(zhì)結(jié)材料：利用異質(zhì)結(jié)促進(jìn)電荷分離進(jìn)而對(duì)污染物實(shí)現(xiàn)良好的光催化降解性能。在有光照的情況下，光生電子和空穴在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下向相反的方向遷移，電荷分離效率提高，從而提高光催化性能。例如，Al2O3模板制備出TiO2納米管并在其表面沉積Pt層，然后除去Al2O3模板獲得TiO2-Pt納米管陣列異質(zhì)結(jié)，其光催化降解空氣中甲苯的動(dòng)力學(xué)常數(shù)是TiO2納米管的7倍。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米光催化材料122)光子晶體:介電常數(shù)不同的兩種介質(zhì)按一定周期排列而成的結(jié)構(gòu)，具有光學(xué)禁帶。光子晶體具有全反射效應(yīng)和慢光效應(yīng)，這是光子晶體能夠提高光吸收效率進(jìn)行提高光催化性能的原因。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米光催化材料在TiO2反蛋白光子晶體內(nèi)負(fù)載納米Pt層，調(diào)整光學(xué)禁帶紅邊緣至365nm與TiO2吸收峰重合，其對(duì)苯酚的光催化分解速率常數(shù)相對(duì)無序反蛋白結(jié)構(gòu)TiO2-Pt提高3.3倍。光子晶體利用慢光效應(yīng)示意圖（實(shí)線：光子晶體反射曲線；虛線：光催化材料吸收曲線）123)金屬有機(jī)框架（MOF），本質(zhì)上是多孔結(jié)構(gòu)的配位聚合物晶體，由鏈狀有機(jī)分子通過共價(jià)鍵連接中心原子組成。MOF材料具有光催化功能是因?yàn)槠渚哂蓄愃瓢雽?dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。例如，MOF-5（中心為Zn基金屬簇，周圍連接6個(gè)對(duì)苯二甲酸二甲酯）的帶隙為3.4eV，導(dǎo)帶底在0.2eV，光生空穴氧化能力比TiO2更強(qiáng)。MOF除了直接作為光催化材料，還可作為光催化材料的前驅(qū)體，光催化分解污染物的性能高于相同化學(xué)成分的納米粉末光催化材料。MOF與金屬或半導(dǎo)體復(fù)合也可以作為光催化材料。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——納米光催化材料12臭氧能夠氧化多種有機(jī)污染物并具有殺菌能力，分解后產(chǎn)生氧氣對(duì)人體無害，但臭氧在水中自身分解速度較快而氧化分解污染物的速度很慢，因此大部分臭氧沒有用于分解污染物，利用率很低。非均相臭氧催化氧化是解決上述問題的有效途徑。常見的固體催化劑包括活性炭、金屬氧化物、負(fù)載型金屬氧化物等。由于納米尺度的催化劑具有分散性好、比表面積大、活性位多、表面羥基密度大等諸多優(yōu)點(diǎn)，利用納米尺度的催化劑有望提高催化活性，解決塊體催化劑面臨的主要問題。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——臭氧催化材料12碳納米材料也被用作臭氧催化材料，與CNTs類似，也能產(chǎn)生羥基自由基礦化難降解有機(jī)污染物。

例如，有報(bào)道把碳納米纖維固定在多孔道陶瓷膜上，利用孔道內(nèi)的泰勒湍流水力條件，改善臭氧、污染物、催化劑三者的接觸條件，能有效提高了臭氧催化氧化過程中農(nóng)藥類污染物的礦化效率。介孔材料（如分子篩、介孔Al2O3）由于具有比表面積大、孔道有序、孔徑分布范圍窄等特點(diǎn)，特別適合利用其孔道作為反應(yīng)“容器”，把臭氧、催化劑和污染物限制在狹小空間里，形成有利的傳質(zhì)條件。例如，污染物分解產(chǎn)生的副產(chǎn)物需要通過孔道向外遷移，在此過程中，接觸催化劑和臭氧的機(jī)會(huì)仍較多，繼續(xù)降解甚至礦化的機(jī)會(huì)也比非介孔催化材料高。納米材料在污染物催化降解中的應(yīng)用——臭氧催化材料12環(huán)境污染物的分離分析方法是十分必不可少的，樣品預(yù)處理新技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新也是現(xiàn)代分析化學(xué)研究的熱門話題之一。在分析之前，通常要對(duì)樣品進(jìn)行萃取和分離、富集等前處理操作。這些處理過程十分繁瑣，易受干擾，耗時(shí)較長(zhǎng)，嚴(yán)重影響檢測(cè)效率和可靠性。針對(duì)復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)的痕量污染物開發(fā)高效率和高選擇性的吸附材料是樣品前處理的關(guān)鍵問題和研究熱點(diǎn)。納米材料憑借其骨架密度低、比表面積大、孔徑尺寸可調(diào)控、表面可修飾、化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，為其在固相萃取、分散固相萃取、固相微萃取、磁固相萃取、基質(zhì)固相分散萃取等樣品前處理領(lǐng)域提供了更多可能。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——樣本前處理12利用納米材料作為吸附劑的確大大提高了分析技術(shù)的選擇性和靈敏度?，F(xiàn)納米材料已成為開發(fā)環(huán)境基質(zhì)中痕量化合物預(yù)富集技術(shù)的首選方案。1985年富勒烯C60的發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)的含碳材料在提取和預(yù)濃縮痕量有機(jī)污染物方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和廣闊的前景。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——樣本前處理在g-C3N4的基礎(chǔ)上以廉價(jià)的綠色葡萄糖為碳源，三聚氰胺和三聚氰酸為前驅(qū)體，可實(shí)現(xiàn)無模板合成多孔石墨相碳氮化物/碳（g-C3N4/C）復(fù)合微球。制備的g-C3N4/C復(fù)合材料呈多孔微球狀，由相互連接的三維（3D）納米片組成。所得復(fù)合材料比表面積大，具有多尺度微孔等特點(diǎn)，提供了豐富的ORR活性位點(diǎn)，有利于電荷轉(zhuǎn)移；賦予其高效的吸附/解吸能力，以提取和預(yù)濃縮痕量化學(xué)品。12聚合物基納米材料如金屬有機(jī)框架（MOF）、干凝膠和核殼層等，具有優(yōu)良的性能，如大的比表面積、可調(diào)控性和開放的金屬孔徑，使其比其他材料更有前景。分子印跡聚合物（MIPs）主要通過乙烯基單體的自由基聚合產(chǎn)生。MIP已被證明在分離、傳感、免疫測(cè)定、藥物遞送、生物成像、催化和樣品制備中均具有廣泛的應(yīng)用。由于其高選擇性和負(fù)載能力，MIP可以作為樣品制備中的吸附劑，用于痕量化學(xué)物質(zhì)的萃取/預(yù)濃縮。磁性納米材料中以磁鐵礦（Fe3O4）為最常用于復(fù)合材料。為增強(qiáng)它們的物理化學(xué)性質(zhì)，將各種化學(xué)復(fù)合物（如氧化鋁，二氧化硅，氧化錳，碳納米材料和分子印跡聚合物，殼聚糖和表面活性劑等）涂覆在磁鐵礦顆粒的表面上，可以極大地增強(qiáng)它們的吸附性能。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——樣本前處理121）納米材料在毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用毛細(xì)管電泳（CE）是指溶質(zhì)以電場(chǎng)為推動(dòng)力，在毛細(xì)管中按淌度差別而實(shí)現(xiàn)高效、快速分離的新型電泳技術(shù)。和傳統(tǒng)電泳及現(xiàn)代色譜技術(shù)相比，CE具有儀器簡(jiǎn)單方便、分離效率高、速度快和樣品用量少等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等各領(lǐng)域，現(xiàn)已經(jīng)成為一種相當(dāng)普遍的微量分離分析方法。納米材料在毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用有不同方式，可以通過化學(xué)鍵合靜態(tài)涂敷和通過靜電作用動(dòng)態(tài)涂漬的方法制成毛細(xì)管涂層，或者被直接添加到電泳緩沖溶液中發(fā)揮作用。例如，將納米金應(yīng)用于毛細(xì)管電泳中的毛細(xì)管壁內(nèi)。納米金通過與巰基、氨基和氰基等化學(xué)基團(tuán)共價(jià)作用連接到毛細(xì)管壁基質(zhì)表面。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——分離分析121）納米材料在毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用隨著納米組裝技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)明了layer-by-layer多層納米顆粒的固載新方法。使用該技術(shù)構(gòu)建多層金納米結(jié)構(gòu)可以分離殺蟲劑和類固醇藥物等物質(zhì)，其中的毛細(xì)管內(nèi)壁預(yù)先經(jīng)過硅烷化處理，并通過連接臂（硫醇）將多層納米金逐層沉積在毛細(xì)管中。多層納米材料的引入大大增加了毛細(xì)管內(nèi)的比表面積，提高分離效率。

納米材料涂敷在毛細(xì)管內(nèi)壁作為色譜固定相是一種開管電色譜柱技術(shù)，涂敷尤其是靜態(tài)涂敷的方法雖然能夠制備穩(wěn)定的涂層，但通常需要繁瑣的制備過程。由于納米材料具有比表面積大的突出特點(diǎn)，若將納米材料直接作為緩沖液添加劑，樣品的遷移速度將發(fā)生變化，電滲流也隨之改變，分離選擇性得到了提高。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——分離分析121）納米材料在毛細(xì)管電泳中的應(yīng)用在毛細(xì)管電泳中使用納米材料的主要缺點(diǎn)是納米材料會(huì)對(duì)紫外檢測(cè)造成干擾，部分填充方法在一定程度上可以克服干擾，但這些方法的優(yōu)化過程比較耗時(shí)，并且有時(shí)體系的分離分辨率不如納米材料持續(xù)全柱裝填。使用熒光或者電化學(xué)檢測(cè)可以在一定程度上克服檢測(cè)干擾問題，進(jìn)而全柱裝填使用納米材料。納米材料應(yīng)用于毛細(xì)管電泳中（即作為假固定相）應(yīng)滿足相應(yīng)條件：納米材料的表面理化性質(zhì)以及孔洞大小適合,不僅能提高分離的選擇性,同時(shí)表面吸附特性不會(huì)造成峰展寬；通過涂漬或者化學(xué)鍵合的方法使納米粒子表面帶上適當(dāng)電荷，納米粒子在改善分離的同時(shí)，又與樣品有足夠大的遷移時(shí)間差，不會(huì)對(duì)樣品的檢測(cè)造成干擾等。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——分離分析122)納米材料在微流控芯片電泳中的應(yīng)用在芯片的微通道中進(jìn)行電泳，具有速度快、分離柱效高以及可靈活組合和規(guī)模集成等突出優(yōu)點(diǎn)。通過運(yùn)用先進(jìn)的光刻和化學(xué)刻蝕技術(shù)，可以在微流控芯片上制作各種結(jié)構(gòu)和尺寸可控的納米結(jié)構(gòu)，結(jié)合外加電場(chǎng)的靈活使用，有望建立和整合不同分離機(jī)制，實(shí)現(xiàn)各種對(duì)象的分離。此外，納米材料可以通過化學(xué)鍵合靜態(tài)涂敷的方法為芯片制備涂層。納米材料涂敷到微通道內(nèi)壁，可以增大被檢測(cè)物與填料之間的接觸面積，提高分離塔板數(shù)，從而提高分離效率；納米材料的表面基團(tuán)的優(yōu)化也能提高分離的選擇性。例如，研究者通過靜電作用力將PVP、PEO和13nm的納米金逐次涂敷在PMMA通道內(nèi)壁上，同時(shí)梯度改變溴化乙錠的濃度，能高效完成UGT1A7的多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)產(chǎn)物的分離。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——分離分析122)納米材料在微流控芯片電泳中的應(yīng)用納米材料也作為緩沖溶液添加劑材料應(yīng)用在芯片電泳中。納米材料的結(jié)構(gòu)和尺寸等對(duì)電泳分離起到不同的作用。有研究采用微流控芯片電泳實(shí)現(xiàn)了高速高分辨的寬分子量DNA片段（1-15kbp）的分離，其中便添加了聚合物納米材料。納米SiO2材料也作為緩沖溶液添加到dsDNA（100-1500pb）分離，有研究發(fā)現(xiàn)DNA分離速度和分辨率由于受到納米顆粒的排斥作用而得到提高。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——分離分析12納米材料具有比表面積大、反應(yīng)活性和催化效率高、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，這些特性使之成為最有前途的傳感材料；對(duì)溫度、光、濕氣等環(huán)境因素非常敏感，響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良,與傳統(tǒng)的傳感器相比，納米傳感器尺寸小，精度、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間等性能更佳。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性，其修飾電極可以大大促進(jìn)電極和電活性物質(zhì)之間的電子轉(zhuǎn)移，因此基于其構(gòu)建的電化學(xué)生物傳感器應(yīng)用于環(huán)境分析中具有靈敏度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。石墨烯納米材料是制備電化學(xué)生物傳感器的一種理想電極材料，但由于石墨烯容易發(fā)生團(tuán)聚，往往需要對(duì)其進(jìn)行功能化修飾，提高其溶解性和分散性。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——納米傳感器12金屬納米粒子，尤其是金納米粒子或銀納米粒子，具有很的消光系數(shù)和依賴大小、形狀的光電性質(zhì)，比表面積大，體積比大，且表面可以修飾多種功能基團(tuán)，可以作為納米傳感器應(yīng)用于環(huán)境污染物分析。某個(gè)靶標(biāo)分析物或一個(gè)生物過程直接或間接引起納米金的聚集都可以通過納米金溶液顏色的改變而被檢測(cè)。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——納米傳感器基于納米金標(biāo)記DNA探針的比色法Hg2+檢測(cè)傳感器示意圖基于待測(cè)物于DNA的特異性反應(yīng)導(dǎo)致納米聚集而引起顏色變化，研究者實(shí)現(xiàn)了環(huán)境污染物Hg2+的選擇性檢測(cè)。12硅納米線的表面積大、表面活性高，對(duì)外界環(huán)境因素的敏感度高，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好等特點(diǎn)，可以構(gòu)建硅納米線場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器。例如，研究人員制備了基于硅納米線陣列的場(chǎng)效應(yīng)晶體管傳感器，用于爆炸物三硝基甲苯（TNT）的高靈敏度、快速、免標(biāo)記在線檢測(cè)。納米材料在環(huán)境分析方面的應(yīng)用——納米傳感器第四節(jié)納米機(jī)械1熟悉了解微納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域。教學(xué)目的6.4納米機(jī)械重點(diǎn)內(nèi)容掌握各典型應(yīng)用的概念掌握微納米材料如何在各應(yīng)用中發(fā)揮作用了解應(yīng)用的不同類型微納米馬達(dá)（mirco-nanomotors），微納米馬達(dá)是一類能將環(huán)境中其他形式的能量轉(zhuǎn)化為自身驅(qū)動(dòng)力，進(jìn)行自主運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)器，其尺寸大約在10nm-10μm之間。微納米馬達(dá)能自己產(chǎn)生局部外部梯度，克服布朗運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)將環(huán)境中的能量（化學(xué)能、光能、電能等）轉(zhuǎn)換成動(dòng)能。6.4.1微納米馬達(dá)動(dòng)能化學(xué)能、電能、磁能、光能微納米馬達(dá)能量轉(zhuǎn)化除了化學(xué)驅(qū)動(dòng)這一驅(qū)動(dòng)方式外，微納米馬達(dá)還可以通過外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)是指通過施加外場(chǎng)，為微納米馬達(dá)提供前進(jìn)的動(dòng)力。6.4.1微納馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理超聲驅(qū)動(dòng)磁驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)常見的外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)光驅(qū)動(dòng)是往馬達(dá)上引入光活性材料，這些材料能夠吸收光能，引發(fā)光催化或者光熱反應(yīng)，進(jìn)而生成不對(duì)稱場(chǎng)推動(dòng)馬達(dá)。磁驅(qū)動(dòng)的機(jī)理是基于靜磁相互作用，通過施加外加磁場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)馬達(dá)的控制。超聲驅(qū)動(dòng)是利用超聲波的高頻特性，作為微納米馬達(dá)的能量源，為微納米馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)力。根據(jù)驅(qū)動(dòng)能源的不同，我們可以分為化學(xué)驅(qū)動(dòng)、外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)以及混合驅(qū)動(dòng)?；瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)是指馬達(dá)依靠自身的材料與溶液發(fā)生催化反應(yīng)，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成自身的動(dòng)能，從而得到有效的驅(qū)動(dòng)力?；瘜W(xué)驅(qū)動(dòng)根據(jù)不同的機(jī)制，可以分為自擴(kuò)散電泳驅(qū)動(dòng)、自電泳驅(qū)動(dòng)和氣泡驅(qū)動(dòng)6.4.1微納馬達(dá)的制備方法制備微納米馬達(dá)的方法比較多，目前較為主流的制備方法有四種，電化學(xué)制備法、物理氣相沉積、自卷曲與自組裝等等：電化學(xué)制備法是指通過電鍍過程，將電解液中的金屬離子或者聚合物通過外部電流的作用沉積在模板上，一般使用這種方法制備的微納米馬達(dá)是由金屬或聚合物構(gòu)成；物理氣相沉積，物理氣相沉積一般是在高溫或等離子體等條件下，將靶材從固態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，在真空條件下運(yùn)送到基底材料表面，通過冷凝重新固化成薄膜覆蓋在基底表面。A電化學(xué)制備法，B物理氣相沉積法6.4.1微納米馬達(dá)的應(yīng)用微納米馬達(dá)由于其運(yùn)動(dòng)能力和裝載能力，在生物和環(huán)境方面有著很大的應(yīng)用前景。在應(yīng)用方面主要可以分為生物應(yīng)用與環(huán)境應(yīng)用。貨物運(yùn)輸生物傳感微芯片裝置生物應(yīng)用水體環(huán)境的傳感與監(jiān)測(cè)水體除菌有機(jī)污染物的降解重金屬離子的吸附環(huán)境應(yīng)用生物應(yīng)用貨物運(yùn)輸：納米馬達(dá)擁有自主運(yùn)動(dòng)性能，能自主可控地將藥物運(yùn)送到病變部位，減少藥物在健康組織的富集，因此運(yùn)用納米馬達(dá)進(jìn)行貨物的運(yùn)輸和投遞是一種重要的應(yīng)用。生物傳感：微納米馬達(dá)具有微納米級(jí)的尺寸和自主的運(yùn)動(dòng)性能，可以依靠它的運(yùn)動(dòng)速度、距離等作為傳感信號(hào)，制備成獨(dú)立的馬達(dá)式微型傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)分子的識(shí)別、富集和檢測(cè)。另外，由于形式多樣的可控運(yùn)動(dòng)模式，微/納米馬達(dá)為發(fā)展智能型納米生物傳感器提供了可能納米發(fā)電機(jī)（Triboelectricnanogenerator），簡(jiǎn)稱TENG，是利用摩擦起電和靜電感應(yīng)的原理，將外界的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。TENG利用兩種極性不同的材料接觸所產(chǎn)生的表面靜電荷產(chǎn)生隨時(shí)間變化的電場(chǎng)來驅(qū)動(dòng)電子在外電路中流動(dòng)形成電流，其典型結(jié)構(gòu)是兩種不同聚合物的一面貼上或鍍上一層金屬電極，這兩個(gè)電極即為電能輸出電極，聚合物另一面則為摩擦面，6.4.2納米發(fā)電機(jī)根據(jù)摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作模式的不同分為四類:垂直接觸－分離模式、水平滑動(dòng)式、單電極模式和獨(dú)立層模式TENG四種工作模式：(a)垂直接觸－分離模式；(b)水平滑動(dòng)式；(c)單電極模式和(d)獨(dú)立層模式垂直接觸－分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)，利用兩種材料摩擦電極性的不同，外接負(fù)載使電子得以循環(huán)流動(dòng)。始態(tài)兩種材料在外力下接觸產(chǎn)生等量的異種電荷，撤去外力，摩擦層分離，兩電極間形成電勢(shì)差；當(dāng)兩極板回到始態(tài)時(shí)，兩極間的電壓差最大；再施加外力，電勢(shì)逐漸降低；當(dāng)兩極再接觸時(shí)，電勢(shì)歸0。如此循環(huán)，如果外接電路，電勢(shì)差會(huì)在增大時(shí)使電子從上極板流向下極板，在減小時(shí)相反，產(chǎn)生交流電流。水平滑動(dòng)模式的摩擦納米發(fā)電機(jī)，始態(tài)為兩極接觸，產(chǎn)生等量異種電荷，當(dāng)施加外力，兩極發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，產(chǎn)生電勢(shì)差；隨著運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，電勢(shì)差變大，當(dāng)兩極接觸面為0時(shí)，電勢(shì)差最大；當(dāng)運(yùn)動(dòng)方向轉(zhuǎn)向時(shí)，電勢(shì)差降低，回到始態(tài)時(shí)電勢(shì)差為0。如此循環(huán)，如果外接電路，電勢(shì)差會(huì)在增大時(shí)使電子從下極板流向上極板，在減小時(shí)相反，產(chǎn)生交流電流。6.4.2納米發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理6.4.2納米發(fā)電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理單電極模式的摩擦發(fā)電機(jī)，不需要墊片來分隔兩個(gè)摩擦電層，由單個(gè)電介質(zhì)層和不帶間隔的電極組成，該模式可以獨(dú)立、自由地工作。獨(dú)立層模式摩擦發(fā)電機(jī)由一層絕緣體薄膜層和兩個(gè)彼此相連的平行金屬電極構(gòu)成。金屬電極作為摩擦材料和導(dǎo)電電極。兩電極用導(dǎo)線相連，當(dāng)摩擦層從左往右運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦起電效應(yīng)，在摩擦層和左電極的接觸表面產(chǎn)生等量異種電荷。當(dāng)摩擦層向右電極移動(dòng)時(shí)，由于靜電感應(yīng)，右電極上產(chǎn)生與摩擦層帶電相反的電荷，電子由右電極板流向左電極板；當(dāng)摩擦層運(yùn)動(dòng)方向相反時(shí)，電子流動(dòng)方向也發(fā)生換向。如此循環(huán)，便產(chǎn)生了交流電流。

TENG的應(yīng)用主要可以分為兩類:能源供應(yīng)和自供電傳感器。TENG的輸出電能可以提供給小型電子設(shè)備。對(duì)于自供電傳感器，通過跟蹤TENG輸出信號(hào)的變化，可以量化來自環(huán)境的各種類型的刺激。此外，由于TENG的輸出信號(hào)本身是傳感信號(hào)，不需要外部電源。6.4.2納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用納米發(fā)電機(jī)由高度穩(wěn)定和化學(xué)惰性的材料制成時(shí)，生物可降解摩擦電裝置實(shí)現(xiàn)生物兼容電源的消失而不產(chǎn)生對(duì)生命有害的物質(zhì)，消除危險(xiǎn)廢物的潛在健康風(fēng)險(xiǎn)。摩擦電納米發(fā)電機(jī)在外部刺激可降解，具有可溶性、可循環(huán)、可降解，甚至可植入操作的特點(diǎn)，應(yīng)用于各種行業(yè)，如機(jī)器人、醫(yī)療保健和體育。摩擦納米發(fā)電機(jī)的高電壓輸出可以將外界機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)化為明顯的高電壓信號(hào)，用作自供能傳感器。將機(jī)械輸入與其它參數(shù)關(guān)聯(lián)，發(fā)展了TENG為原型器件的各種自供電傳感系統(tǒng)用于檢測(cè)多種物理變量，如壓力檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和聲學(xué)感測(cè)等。納米傳感器（nanosensor），是納米技術(shù)和傳感技術(shù)的結(jié)合，即測(cè)量物理量并將這些量轉(zhuǎn)換為可以檢測(cè)和分析的信號(hào)的納米級(jí)設(shè)備。所以納米傳感器并不一定要減小到納米級(jí)的尺寸，而是可以利用納米材料的獨(dú)特特性來檢測(cè)和測(cè)量納米級(jí)事件的大型設(shè)備。6.4.3納米傳感器信號(hào)輸出體積、濃度、磁力、壓力、溫度納米傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化一、主要可分為納米化學(xué)和生物傳感器、納米氣敏傳感器和其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量）等。1、納米化學(xué)和生物傳感器

原理：利用納米材料制成極為靈敏的生物和化學(xué)傳感器，將納米材料作為新型的生物傳感介質(zhì)，與特異性分子識(shí)別物質(zhì)。如霉、抗原、抗體、DNA等相結(jié)合，轉(zhuǎn)換成一定電信號(hào)輸出識(shí)別。納米生物傳感器有納米粒子、納米線、納米微管和多孔納米結(jié)構(gòu)、光纖納米生物傳感、納米級(jí)微加工等結(jié)構(gòu)。6.4.3納米傳感器分類6.4.3納米傳感器分類2、納米氣敏傳感器原理：利用各種物理效應(yīng)將氣體成分、濃度按一定規(guī)律先轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的納米傳感器件，是化學(xué)傳感器中最活躍的一種，廣泛應(yīng)用于化工、機(jī)械等各領(lǐng)域。3、其他類型的納米傳感器（壓力、溫度和流量二、還可以分為電化學(xué)納米傳感器、光子納米傳感器和比色法納米傳感器。1、電化學(xué)納米傳感器原理：電化學(xué)納米傳感器基于檢測(cè)由于散射的變化或電荷載流子的耗盡或積累而導(dǎo)致的分析物結(jié)合后納米材料中的電阻變化。典型的電化學(xué)傳感器由傳感電極(或工作電極)和反電極組成，并由一個(gè)薄電解層隔開。6.4.3納米傳感器分類2、光子納米傳感器

原理：光子設(shè)備也可用作納米傳感器，以量化臨床相關(guān)樣品的濃度。光子納米傳感器的工作原理基于結(jié)合了布拉格光柵的水凝膠膜體積的化學(xué)調(diào)制。當(dāng)水凝膠在化學(xué)刺激下膨脹或收縮時(shí)，布拉格光柵會(huì)改變顏色并使不同波長(zhǎng)的光發(fā)生衍射。衍射光可以與目標(biāo)分析物的濃度相關(guān)。3、比色法納米傳感器

原理：這一類納米傳感器是通過比色法工作的納米傳感器。其工作原理是，分析物的存在引起化學(xué)反應(yīng)或形態(tài)變化，從而發(fā)生可見的顏色變化。典型的應(yīng)用是金納米顆?？捎糜跈z測(cè)重金屬，也可以通過比色變化檢測(cè)到許多有害氣體。納米反應(yīng)器是指在納米限域內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)的設(shè)備或者場(chǎng)所。納米反應(yīng)器的概念最早出現(xiàn)在上世紀(jì)90年代后期。近年來，研究人員受到自然界高效的化學(xué)反應(yīng)的啟發(fā)，對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)空間以提高反應(yīng)效率的興趣越來越高。因其尺寸是納米級(jí)別具有限域效應(yīng)且?guī)в谢钚曰衔?，所以將其稱為納米反應(yīng)器。6.4.4納米反應(yīng)器reaction無機(jī)納米反應(yīng)器無機(jī)納米反應(yīng)器一般具有下面的幾個(gè)特點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)多樣性：比如球狀、管狀、棒狀以及核殼結(jié)構(gòu)等，而且穩(wěn)定性優(yōu)異，不會(huì)受到外界刺激而改變自身結(jié)構(gòu)；（2）尺寸大小比較容易調(diào)控；（3）易于負(fù)載并輸送物品。無機(jī)納米反應(yīng)器一種是無機(jī)材料，包括介孔二氧化硅、合成沸石和金屬氧化物等，另一種是有機(jī)-無機(jī)雜化軌道，包括帶有基團(tuán)的沸石和硅鋁磷酸鹽等。6.4.4納米反應(yīng)器生物納米反應(yīng)器研究人員受到生物體內(nèi)的高效反應(yīng)的啟發(fā)，將傳統(tǒng)的生物分子組裝成具有獨(dú)立空間的反應(yīng)環(huán)境，這種獨(dú)立空間易于改造，具有高度的組織性，在很多方面都具有應(yīng)用潛力，被稱之為生物納米反應(yīng)器。生物納米反應(yīng)器一般包括蛋白籠，DNA,細(xì)菌S層和脂質(zhì)體等。自組裝納米反應(yīng)器是通過非共價(jià)相互作用形成的三維空間結(jié)構(gòu)，具有制備簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。這種納米反應(yīng)器一般可以通過主客體復(fù)合、氫鍵、親疏水相互作用，π-π堆積以及配位相互作用等形成自組裝結(jié)構(gòu)，主要包括膠束、囊泡等。6.4.4納米反應(yīng)器性質(zhì)將納米反應(yīng)器設(shè)計(jì)成帶有特殊的刺激響應(yīng)性，例如引入帶有特定官能團(tuán)的分子，可以解決控制納米反應(yīng)器壁壘物質(zhì)傳輸?shù)膯栴}。在納米反應(yīng)器表面修飾靶向分子，可以使其具有靶向性，進(jìn)一步提高反應(yīng)效率。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，也可以降低材料或者藥品對(duì)正常組織或者細(xì)胞的傷害。由于納米反應(yīng)器具有獨(dú)立的、有限的內(nèi)部空腔，可以將其他物質(zhì)封裝在這個(gè)空間內(nèi)達(dá)到隔絕保護(hù)的效果，使其更加穩(wěn)定。6.4.4納米反應(yīng)器

6.4.5納米開關(guān)概念：通過給予納米材料一個(gè)相應(yīng)的刺激響應(yīng)，使得納米材料能夠做出一個(gè)類似“開啟”或“關(guān)閉”的狀態(tài)變化，利用這種對(duì)相應(yīng)的刺激響應(yīng)，做出不同的反應(yīng)的納米材料就被稱為納米開關(guān)。納米開關(guān)光響應(yīng)納米開關(guān)pH值響應(yīng)納米開關(guān)絡(luò)合響應(yīng)納米開關(guān)溫度響應(yīng)納米開關(guān)DNA納米開關(guān)氧化還原納米開關(guān)6.4.5納米開關(guān)原理及應(yīng)用一、光響應(yīng)納米開關(guān)原理：通過控制可見光來直接或間接的控制納米材料內(nèi)部反應(yīng)的開啟和終止，具有這種性質(zhì)的納米材料稱為光響應(yīng)納米開關(guān)。應(yīng)用：

Shang,S等人以Fe為活性中心，光敏劑卟啉為配體制備出一種利用可見光來控制著開啟和關(guān)閉的光催化固氮金屬有機(jī)框架納米開關(guān)。二、pH值響應(yīng)納米開關(guān)原理：納米材料周圍環(huán)境的pH值達(dá)到某一特定值的時(shí)候，納米材料因?yàn)閜H值的改變產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的化學(xué)行為，這種納米材料就稱為pH值響應(yīng)納米開關(guān)。應(yīng)用：

Terzopoulou,A等人通過一步法合成磁性MOF材料Fe@ZIF-8，然后通過物理吸附的方法讓磁性MOF負(fù)載抗癌藥物阿霉素(DOX),制備出裝載藥物的pH值響應(yīng)DOX@Fe@ZIF-8納米開關(guān)。DOX@Fe@ZIF-8DOXpH=6Fe2+Zn2+++6.4.5納米開關(guān)原理及應(yīng)用三、絡(luò)合響應(yīng)納米開關(guān)原理：在納米材料中通過加入特定的化學(xué)物質(zhì)，使納米材料與化學(xué)物質(zhì)發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，從而達(dá)到類似開啟或關(guān)閉的化學(xué)行為。這種性質(zhì)的納米材料被稱為絡(luò)合響應(yīng)納米開關(guān)。應(yīng)用：Zhuo等人以對(duì)苯二胺為前體，利用乙醇為溶劑，通過羥基與氨基在高溫下反應(yīng)聚合生成可發(fā)射明亮的紅色熒光碳納米點(diǎn)，由于Cu2+對(duì)這種碳點(diǎn)熒光的猝滅作用，建立了一種絡(luò)合響應(yīng)納米開關(guān)，來實(shí)現(xiàn)焦磷酸鹽(PPi)的定量檢測(cè)。四、溫度響應(yīng)納米開關(guān)原理：由納米材料周圍溫度的改變而引起納米材料性質(zhì)的改變，讓納米材料產(chǎn)生一個(gè)類似開啟或關(guān)閉的狀態(tài)，這種納米材料就可以稱為溫度響應(yīng)納米開關(guān)。應(yīng)用：

Lee,H等人使用黑色素-全氟己烷-甲氨蝶呤-聚乳酸(MEL@PFH@MTX-PLA)納米粒子，通過近紅外介導(dǎo)產(chǎn)生光熱氣泡來進(jìn)行位點(diǎn)特異性藥物釋放應(yīng)用于腫瘤的治療。6.4.5納米開關(guān)原理及應(yīng)用五、DNA納米開關(guān)原理：運(yùn)用DNA獨(dú)特的識(shí)別能力、結(jié)構(gòu)特征、響應(yīng)應(yīng)答速率快、精確度高以及能夠與各種物質(zhì)響應(yīng)等特點(diǎn)來制備出動(dòng)態(tài)裝置的DNA納米材料，稱為DNA納米開關(guān)。應(yīng)用：andrasekaran,A等人將DNA納米開關(guān)與RNA鎖鏈預(yù)雜交，形成一個(gè)鎖定的納米開關(guān)。可以使用核糖核酸酶消化RNA鎖，讓DNA鎖釋放，從而打開納米開關(guān)，應(yīng)用于生物傳感。六、氧化還原納米開關(guān)原理：納米材料參與氧化還原反應(yīng)，材料中的某些化學(xué)物質(zhì)發(fā)生氧化態(tài)與還原態(tài)的改變，從而使納米材料具有開啟與關(guān)閉的性質(zhì)，這類材料就稱為氧化還原納米開關(guān)。應(yīng)用：

Iamsaard,S等人開發(fā)了一種多用途氧化還原反應(yīng)共聚物與二硫鍵結(jié)合的氧化還原納米開關(guān)。利用新型的氧化還原反應(yīng)性聚合物側(cè)鏈中包含的自消滅性連接基。通過快速的還原反應(yīng)由硫交換反應(yīng)裂解成二硫鍵，從而使色胺快速釋放。第五節(jié)

納米材料典型生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用掌握納米材料典型的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用及優(yōu)勢(shì)教學(xué)目的6.5納米材料典型生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用重點(diǎn)內(nèi)容掌握納米材料用于藥物遞送載體的原理及優(yōu)勢(shì)掌握納米材料用于疾病診斷的優(yōu)勢(shì)掌握納米材料用于組織工程的優(yōu)勢(shì)納米生物材料是指應(yīng)用于生物領(lǐng)域的納米材料與納米結(jié)構(gòu)，包括納米生物醫(yī)用材料、納米藥物及藥物的納米化技術(shù)。從狹義上講，納米生物材料即為納米生物醫(yī)用材料，是指對(duì)生物體進(jìn)行診斷、治療和置換損壞的組織、器官或增進(jìn)其功能的具有納米尺度的材料?；靖拍睿菏裁词羌{米生物材料生命體自身含有的“納米生物材料”蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范圍光合作用在“納米車間”進(jìn)行細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞象一個(gè)“納米工廠”紅血球冠狀病毒DNA分子氫原子100納米1000納米1納米0.1納米小分子抗癌藥物能夠自由穿透正常組織和病灶組織的血管壁，導(dǎo)致抗癌藥物在全身給藥時(shí)，選擇性差、毒副作用較大，在腫瘤組織中的積累量下降，產(chǎn)生低的療效。6.5.1藥物遞送納米材料系統(tǒng)給藥到達(dá)腫瘤組織極少（<1‰），毒副作用大6.5.1藥物遞送納米材料-增強(qiáng)的滯留和滲透（EPR）效應(yīng)正常組織中的血管結(jié)構(gòu)完整，血管內(nèi)皮細(xì)胞的間隙致密，納米顆粒不易透過血管壁，而實(shí)體瘤中，血管豐富，血管內(nèi)皮細(xì)胞的間隙較大，結(jié)構(gòu)完整性較差，并且淋巴回流缺失，造成納米顆粒在腫瘤組織具有選擇性高通透性和滯留性，這種現(xiàn)象稱為增強(qiáng)的滯留和滲透（EPR）效應(yīng)。腫瘤組織血管內(nèi)皮細(xì)胞的間隙可達(dá)數(shù)百納米。6.5.1藥物遞送納米材料-被動(dòng)靶向納米顆粒在腫瘤組織的被動(dòng)靶向小分子藥物由于尺寸小，可在全身血管內(nèi)外自由出入，造成腫瘤中的有效濃度較低；納米藥物由于尺寸較大，只能在腫瘤血管出滲出，并被滯留在腫瘤組織，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)靶向6.5.1藥物遞送納米材料-主動(dòng)靶向納米顆粒在腫瘤組織的主動(dòng)靶向腫瘤細(xì)胞表面會(huì)過量表達(dá)某些特征的標(biāo)志物（如抗原或受體等），以利于吸收更多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)滿足其迅速增殖的需要；通過在納米材料表面接枝與這些標(biāo)志物有特異性作用的配體等靶向分子，增強(qiáng)納米材料對(duì)腫瘤細(xì)胞的識(shí)別和作用，這種手段稱為主動(dòng)靶向；常用的配體分子主要包括兩大類：一類是小分子配體，包括葉酸、半乳糖殘基等；另一類是抗體等大分子配體，比如多肽、單抗等6.5.1藥物遞送納米材料-納米材料種類常用于藥物遞送的納米材料主要包括以下幾大類：聚合物納米顆粒、脂基納米顆粒及無機(jī)納米顆粒等。6.5.1藥物遞送納米材料-臨床轉(zhuǎn)化舉例☆鹽酸阿霉素脂質(zhì)體（Doxil）臨床上使用的第1個(gè)納米制劑;1995年美國(guó)FDA批準(zhǔn)上市，適應(yīng)癥為鉑類治療失敗的卵巢癌、艾滋病相關(guān)的卡波氏肉瘤及多發(fā)性骨髓瘤;1996年獲得了歐洲EMA批準(zhǔn)上市，商品名Caelyx（楷萊），適應(yīng)癥為轉(zhuǎn)移性乳腺癌、鉑類治療失敗后的卵巢癌、艾滋病相關(guān)的卡波氏肉瘤及多發(fā)性骨髓瘤6.5.1藥物遞送納米材料-臨床轉(zhuǎn)化舉例☆鹽酸阿霉素脂質(zhì)體（Doxil）處方組成摩爾比為：氫化大豆磷脂(HSPC)：膽固醇（CHOL）：二硬脂?；字Ｒ掖及?聚乙二醇（DSPE-mPEG2000）=56：39：5；硫酸銨梯度法主動(dòng)載藥6.5.1藥物遞送納米材料-臨床轉(zhuǎn)化舉例☆紫杉醇白蛋白（Abraxane）Abraxane是美國(guó)生物制藥公司賽爾基因(Celgene)研制的一種新型紫杉醇納米制劑。2005年由FDA批準(zhǔn)上市,先后批準(zhǔn)用于治療乳腺癌、非小細(xì)胞肺癌和胰腺癌。近期在日本獲批用于胃癌。該產(chǎn)品2009年后進(jìn)口中國(guó)，CFDA批準(zhǔn)其用于聯(lián)合化療失敗的轉(zhuǎn)移性乳腺癌或輔助化療后復(fù)發(fā)的乳腺癌。6.5.1藥物遞送納米材料-臨床轉(zhuǎn)化舉例☆紫杉醇白蛋白（Abraxane）將人血白蛋白與紫杉醇通過高壓振動(dòng)技術(shù)制成的納米凍干粉劑，外觀為白色至淡黃色固體。白蛋白（BSA）6.5.1藥物遞送納米材料-臨床轉(zhuǎn)化舉例☆siRNA納米藥物Onpattro

2018年，全球首款siRNA藥物Onpattro（Patisiran）由FDA批準(zhǔn)上市；Onpattro?的主要構(gòu)成是利用陽離子脂質(zhì)納米顆粒作為載體負(fù)載了可沉默肝細(xì)胞中野生型和突變型轉(zhuǎn)甲狀腺素蛋白（TTR）mRNA的小干擾RNA（siRNA）序列，用于治療遺傳性轉(zhuǎn)甲狀腺素介導(dǎo)的淀粉樣變性（hATTR）引起的多發(fā)性神經(jīng)病6.5.2診斷