納米化學(xué)在環(huán)境中的應(yīng)用

1、納米化學(xué)在環(huán)境中的應(yīng)用納米化學(xué)在環(huán)境中的應(yīng)用納米化學(xué)與生物學(xué)研究所納米化學(xué)與生物學(xué)研究所王棟海納米技術(shù)納米化學(xué)納米計(jì)量學(xué)納米加工技術(shù)納米電子學(xué)納米物理學(xué)納米生物學(xué)納米材料在節(jié)能方面的應(yīng)用1.擴(kuò)展晶體硅太陽能電池的吸收光譜 在常規(guī)晶體硅太陽能電池中，紫外光被硅過濾掉或吸收掉，并轉(zhuǎn)化為潛在的有害熱量，而不產(chǎn)生電力。為了利用紫外光，美國依利諾斯州立大學(xué)研究人員將一定尺寸的硅納米顆粒分散在異丙醇中，再分散在太陽能電池表面，隨著醇的蒸發(fā)，納米顆粒膜就留存在太陽能電池表面。研究表明，將尺寸為1nm的硅納米顆粒高質(zhì)量膜與硅太陽能電池組合在一起，可使紫外光譜范圍的電力輸出功率提高60%，同時(shí)可減少熱量和延長太

2、陽能電池壽命。納米技術(shù)在晶體硅太陽能電池中的應(yīng)用2.增強(qiáng)晶體硅太陽能電池的抗反射能力 納米晶體鍍膜（N a n o C r y s t a lC o a t）技術(shù)可以通過利用納米晶體在硅片上的鍍膜以省略昂貴的制絨流程。鍍膜主要的材料為納米晶體的聚合物，由于材質(zhì)的特殊性及由原來表面三角型改由多邊型狀紋理，納米晶體鍍膜可以全方位吸收太陽光，因而等離子體化學(xué)氣相沉積（P E C V D）工藝流程，甚至包括太陽能跟蹤系統(tǒng)也可以被替代。 這種達(dá)到納米級的鍍膜是一種采用聚氨酯材料全新的防反射涂層。此種鍍膜具備高熱傳導(dǎo)特性，可以有效驅(qū)散電池片表面熱量。納米晶體鍍膜最大的作用是防止反光并增加透光性。3.硅基多

3、界面太陽能電池 保持晶體硅電池的p - n結(jié)結(jié)構(gòu)不變，對其發(fā)射區(qū)結(jié)構(gòu)作一些改進(jìn)，使具有較高能量的光子通過俄歇碰撞在發(fā)射區(qū)實(shí)現(xiàn)多電子空穴對激發(fā)，可以提高入射太陽光譜的產(chǎn)率和太陽電池的轉(zhuǎn)換效率。 據(jù)某研究報(bào)道，在發(fā)射區(qū)的單晶硅層中插入局部改性成非晶的納米層，形成一種稱之為“M I N D”的多界面結(jié)構(gòu)（Multi-interface Nanostructured Device）。此實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與品質(zhì)優(yōu)良的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)單晶硅電池相比較，新型硅基多界面器件在太陽光波長從400 1300n m范圍內(nèi)都出現(xiàn)了光電流值的增加。4.新型納米導(dǎo)線 銀導(dǎo)線普遍被用作晶體硅太陽能電池的導(dǎo)線，但是由于銀稀少且昂貴，為了

4、降低晶體硅太陽能電池的成本，需要尋找廉價(jià)的導(dǎo)線作為銀導(dǎo)線的替代品。近來，美國杜克大學(xué)的一個(gè)化學(xué)研究小組成功地完善了銅納米導(dǎo)線的制造方法，此舉有望在不久的將來讓銅納米導(dǎo)線的商業(yè)化生產(chǎn)成為現(xiàn)實(shí)。 納米銅導(dǎo)線十分細(xì)微而透明，可取代銀納米材料。制備方法為：在水溶液中生長銅納米導(dǎo)線，通過向水溶液添加不同的化學(xué)物質(zhì)，能夠控制原子形成不同的納米結(jié)構(gòu)。在制作銅納米導(dǎo)線的過程中，當(dāng)銅出現(xiàn)結(jié)晶時(shí)，它首先形成微小的“種子”，隨后每個(gè)“種子”生長成單獨(dú)的納米導(dǎo)線。由于銅納米導(dǎo)線生長在水溶液中，同時(shí)它具有柔性，因此銅納米導(dǎo)線有望以滾動(dòng)的生產(chǎn)方式在溶液中鍍層，如同報(bào)紙的印刷過程。1 、納米光催化材料納米TiO2 納米光催

5、化材料有以下的特點(diǎn)：降解沒有選擇性，能使有害物質(zhì)完全分解，不會(huì)產(chǎn)生二次污染可以在常壓下操作，反應(yīng)條件溫和，降低操作難度，不需要大量消耗除光以外的其他物質(zhì)，可以降低能量、原材料的消耗而達(dá)到除毒、脫色、去臭的目的。光催化劑具有廉價(jià)、無毒、穩(wěn)定以及可以重復(fù)利用等特點(diǎn)。 常見的納米光催化材料有: TiO2、ZnO 、BiVO4、Al2O3等。其中納米TiO2活性高，熱穩(wěn)定性好，成本低，安全無毒，是現(xiàn)在研究最廣，最被看好的材料。納米材料在水處理中的應(yīng)用 在紫外光照射下，納米TiO2表面會(huì)產(chǎn)生氧化能力極強(qiáng)的羥基自由基( OH) ，使水中的有機(jī)污染物氧化降解為無害的CO2和水。 目前納米TiO2主要的應(yīng)用領(lǐng)

6、域有化工廢水、染料廢水、農(nóng)藥廢水、含油廢水、造紙廢水等有機(jī)廢水的處理。 TiO2光催化材料的穩(wěn)定性很好，但是量子效率低，主要利用的是僅占太陽光輻射總量4%左右的387. 5nm 以下的紫外光。因此，在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)，考慮到成本，基建可行性等因素，擴(kuò)大TiO2光催化響應(yīng)光譜范圍，可行的方法，也是最具挑戰(zhàn)的課題就是TiO2改性。目前在研究中的方法有：表面光敏化、表面處理、復(fù)合薄膜、聚合物改性、炭黑造孔等，通過引入雜質(zhì)使TiO2晶體表面產(chǎn)生缺陷，增加表面活性中心的數(shù)量，從而提高催化活性。2、納濾( NF) 膜 納濾( Nanofitration，簡稱NF) 是20 世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的一種介于反

7、滲透與超濾之間的新型膜分離過程。NF 膜孔徑在1nm 以上，一般在1-2nm；對溶質(zhì)的截留性能介于反滲透( RO) 與超濾( UF) 膜之間; RO 膜幾乎對所有的溶質(zhì)都有很高的脫除率，但NF 膜只對特定的溶質(zhì)具有高脫除率。相比于反滲透( RO) ，NF 具有設(shè)備投資低，能耗低的優(yōu)點(diǎn)。 Sahinkaya 等確定了棉紡廠廢水的生化法納濾聯(lián)合工藝，納濾能夠使COD 的去除為80% 100% ，脫鹽率約65% ，產(chǎn)水達(dá)到回用標(biāo)準(zhǔn)。 納濾膜目前主要的應(yīng)用領(lǐng)域有：飲用水的處理，其中最主要的應(yīng)用是水的軟化處理，水的淡化處理。 Hilal研究了納濾操作條件和不同截留分子量的納濾膜對海水的截留性能，實(shí)驗(yàn)表明

8、，納濾能夠降低部分含鹽量。 工業(yè)廢水的處理，如紡織廢水、食品工業(yè)廢水、制革廢水、電鍍廢水等。3、碳納米管( Carbon Nanotubes，CNTs) 1991 年日本NEC 公司的飯島純雄首次發(fā)現(xiàn)了一種晶形碳素材料，被命名為碳納米管。碳納米管具有獨(dú)特的納米管狀微觀結(jié)構(gòu)及其大比表面積、豐富孔隙結(jié)構(gòu)、獨(dú)特導(dǎo)電性能等特性，因此在水處理材料領(lǐng)域受到關(guān)注，逐漸被用作吸附材料、催化劑和吸附劑的載體材料以及催化材料，并得到了廣泛的應(yīng)用。3. 1 吸附材料 碳納米管成為良好的吸附材料的基礎(chǔ)是其大的比表面積及其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，目前制備的碳納米管的比表面積一般在15 - 400 m2 /g。其用作吸附材料也是

9、目前碳納米管最重要的研究方面。3. 2 載體材料 碳納米管的機(jī)械強(qiáng)度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)，而且具有大的比表面積和獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)，吸附劑和催化劑均可在其表面高度分散，因此碳納米管可以用作良好的載體材料。3. 3 催化材料 碳納米管是電子的良導(dǎo)體，可以有序地導(dǎo)出電子，因此，將碳納米管與光催化活性材料復(fù)合制備復(fù)合光催化材料，則碳納米管可降低復(fù)合材料中的電子積累，從而降低空穴與電子的復(fù)合幾率，提高光催化活性。4、納米零價(jià)鐵 零價(jià)鐵有以下特性: 比表面積大; 電負(fù)性大，電極電位E0( Fe2 + /Fe) = 0. 44 V; 具有很強(qiáng)的還原性，在一定pH 下，還原生成的Fe3 + 會(huì)生成氫氧化物，具有吸

10、附和絮凝作用。而納米零價(jià)鐵除了具備以上的性質(zhì)外，具有更大的比表面積，反應(yīng)活性和吸附性。 在水處理中，納米零價(jià)鐵的主要應(yīng)用領(lǐng)域有: 含氯有機(jī)廢水的處理、洗滌劑廢水處理、含酚廢水處理、制藥廢水處理、含放射性元素的廢水處理。 二氧化鈦是一種能帶間隙較寬的新型半導(dǎo)體( n 型) 材料，其化學(xué)性能穩(wěn)定。由于半導(dǎo)體能帶不連續(xù)，在波長小于一定范圍的光照射下，能吸收能量高于其禁帶寬度的波長光的輻射，產(chǎn)生電子躍遷，形成空穴( h + ) 電子( e ) 對，從而產(chǎn)生活性很強(qiáng)的自由基和超氧離子等活性氧，易將有機(jī)物和有害氣體催化分解。TiO2的尺寸的越小，與物質(zhì)接觸的表面積就越大，其光催化活性也越強(qiáng)。納米催化降解汽

11、車尾氣技術(shù)在瀝青路面中的應(yīng)用 根據(jù)這一理論，若將納米二氧化鈦添加到道路材料中，在光照條件下，二氧化鈦可變?yōu)榇呋瘎瑢⑵嚺欧诺囊谎趸肌⑻細(xì)浠衔? HC) 和氮氧化物被分別分解為的碳酸鹽和硝酸鹽，然后吸附在路面空隙中，遇雨天即可隨雨水沖走。分解原理可用如下反應(yīng)式表示： 納米材料具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、光學(xué)效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子尺寸效應(yīng)等特殊性質(zhì)，可以使涂料獲得新的功能。 納米涂料的應(yīng)用粒度進(jìn)入納米尺度，材料表面活性中心的增多可提高其化學(xué)催化和光催化的反應(yīng)能力，在紫外線和氧氣的作用下給予涂層自清潔能力。高表面能的納米材料表面經(jīng)過改性可以獲得同時(shí)憎水和憎油的特性，用于內(nèi)外墻涂料可以顯著提高涂層的抗污性并可提高耐候性。某些粒徑小于100nm的納米材料，