納米材料的應用研究進展

刁潤麗

摘 要： 納米材料特殊的納米結構，使它具有了很多優異的性能，擴大了其應用范圍。綜述了納米材料在水處理、果蔬保鮮、綠色建筑、農藥殘留及電化學等領域的廣泛應用，對應用中的問題進行了分析，并對納米材料廣闊的發展前景進行了展望。

關鍵詞：納米材料;應用;研究;進展;

1 前 言

納米技術是21世紀的三大發明之一，它是主要研究在0.1—100nm結構范圍內，用單個的分子、原子來制備產物的技術[1-3]。納米材料是一類超細材料，具有表面效應、小尺寸效應、宏觀量子隧道效應等一些特殊性能。基于此，納米材料引起了研究者們的廣泛關注，而納米技術的發展又為材料、化學、物理、仿生學及生物等學科提供了新的發展空間[4，5]。

2 納米材料的結構與性質

2.1 納米材料的結構

納米材料是處于亞穩態的物質，比表面積大，粒徑小，表面原子比例高，具有獨特的電子運動狀態和表面效應，表現出宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應，這些結構上的特點使納米材料具有很多優良的特性[6]。

2.2 納米材料的性質

1）化學反應性質：納米材料的粒徑為納米級，性質非常活潑，有很強的化學反應活性。如在空氣中納米級的金屬材料可以發生氧化反應，劇烈的伴隨有發光燃燒;45 nm的TiN晶粒在空氣中受熱可燃燒得TiO2晶粒。

2）催化性質：納米粒子比表面積大、表面原子配位不足等性質增加了表面的活性中心，從而使其具有催化活性。納米粒子催化劑沒有孔隙，可直接加入反應體系，不必外加載體。另外，納米粒子催化劑的表面比較粗糙，可以擴大反應面積。

3）光催化性質：納米材料可以吸收光能，使其氧化還原能力增強，從而有利于催化反應。粒徑越小，光催化性越強，反應速度越快。

此外，納米材料還具有比熱大、塑性好、硬度高、導電率高和磁化率高等優異的特性。隨著研究的進一步深入，相信還會有更多優異的性能呈現出來[7]。

3 納米材料的應用

3.1水處理

水是生命之源，隨著發展，在用水量增加的同時水資源的應用范圍也越來越廣泛，導致水危機事件多發。因此，急需對污水進行處理，使其資源化，從而提高利用效率。但是目前，傳統的處理技術滿足不了發展的需求。活性炭一方面對極性小分子的吸附能力較弱，另一方面由于含有較多的微孔，不能吸附大的有機分子。納米吸附劑由于比表面積大，活性質點和表面原子多，孔徑易控，表面性質優異，因此吸附性遠高于傳統吸附劑[8]。

碳納米管已作為吸附劑應用于水處理領域，并展示了對有機物優良的吸附效果。碳納米管比表面積大并且具有憎水性，因此在水相中可以形成疏松多孔的聚集體，加之它與小分子之間具有疏水作用、氫鍵作用、π-π 作用、靜電作用、共價作用等多樣作用，因此它對各種尺寸的有機分子吸附能力都很強，使它們之間可以充分相互作用[9]。

3.2果蔬保鮮

果蔬口感好且營養豐富，但是它易腐爛，且地域性和季節性明顯，導致貯藏難、運輸損失大，因此果蔬保鮮就成了迫切需要解決的問題。目前已進行了很多研究，效果明顯。果蔬保鮮通常有化學保鮮、物理保鮮及生物保鮮三種方法，這些方法的不足之處越來越凸顯。納米材料力學性能優異、阻隔性好，將其用到果蔬保鮮中可以彌補常用保鮮方法的不足，加上納米材料對人體無毒無害，因此是很有潛力的新型保鮮劑。

納米硅氧化物是白色、無味、無毒的粉末狀無機納米材料，它能夠在貯藏過程中使果蔬保持硬度。張洪等[10]對采摘后的桃涂抹殼聚糖-納米SiOx的復合膜，從而抑制了相關酶（PPO、POD 等）的活性，使桃子的保鮮期得到了延長。吳雪瑩等[10]在臍橙上涂抹殼聚糖與納米SiO2涂膜，使多聚半乳糖醛酸酶（ PG）、果膠甲酯酶（ PEP）和纖維素酶（ cellulase） 的活性受到抑制，原果膠的降解速度受到抑制，從而提高了果實的硬度，延長了貯藏期。納米SiOx 涂膜也可以延長其它果蔬如圣女果、哈密瓜等的保鮮期。

3.3綠色建筑

綠色建筑指在建筑的生命周期內，為人們提供健康、高效和舒適的空間的同時，最大限度地節約各種資源，與自然和諧共生。綠色建筑技術注重高效、低耗、環保、經濟、優化與集成，是人與自然、現在與未來之間的利益共享，是可持續發展的建設手段。綠色建筑的內涵最終要借助建筑材料體現出來。納米材料因優異的物理化學性質成為綠色建筑的首選材料，社會、經濟效益顯著，應用前景廣闊。

納米材料可以提高混凝土的強度、增加其耐久性，從而改善建筑物的使用壽命。其中的納米SiO2、CaCO3礦粉主要與水泥漿體中的Ca（OH）2反應，可以改善混凝土的韌性、強度、耐久性和抗滲性能。納米金屬氧化物如TiO2、Fe3O4等可以改善水泥基的力學性能和微觀結構，還有電磁屏蔽的作用，增加混凝土的智能性。碳納米管及納米纖維加入大電阻的混凝土中，在增加混凝土強度和韌性的同時能減少裂紋，還可以實現自監測與自診斷應力和損傷情況。Yu等[11]在水泥中添加碳納米管，質量分數分別為0.1%、0.5%，結果顯示材料的電容特性和電阻特性增加明顯。

3.4農藥殘留

目前，關于環境和食品方面農殘污染的報道非常之多，農藥殘留是人類健康的一個重大隱患。為改善這一種狀況，制定了嚴格的農殘限量標準，還不斷開發快速、靈敏和準確的農殘快速檢測技術。納米材料具有優異的物理、化學等特性，將其和其他技術結合應用到農藥殘留物方面，可優化樣品的前處理和檢測。

納米四氧化三鐵（ Fe3 O4 ）顯示超順磁性，可以吸附富集小分子農藥，將其從基質中分離出來。馮鈺锜等[12]通過熱溶法制得納米四氧化三鐵，從植物油中用液微萃取-磁分離法提取極性有機磷，15 min就完成了整個前處理過程，解吸附150 μL有機溶劑制備得到樣品。Li等[12]首先合成（化學共沉淀法）納米四氧化三鐵，粒徑為10 ～ 20 nm，然后對蔬菜中101種農藥進行萃取，并與不加磁性納米粒的結果做對比，研究結果證明了磁納米粒具有優良的吸附純化性能。

3.5電化學

碳納米材料由于比表面積大、機械性能和導電性能良好，在電化學領域獲得了研究者們的青睞，在理論和實踐方面取得了很大的進展。

燃料電池是通過電極反應將化學能轉換成電能的裝置，由陰、陽兩極和電解質構成。燃料電池能量轉換效率高而且環保，所以在通信、分立電源及交通等諸多領域獲得了廣泛的應用。碳納米材料可以提高燃料電池的穩定性和能量密度，降低成本。Kakati 等[13] 在CNTs 表面分散多孔的SnO2，水熱條件下，使得催化劑CNTs/ SnO2大大增加對Pt /Ru 納米粒子的吸附，使燃料電池的催化性能得到提高。Sebastian等[13]將導電性好且多孔的碳納米纖維添加到燃料電池中，結果顯示了良好的催化性能。

雖然在電化學領域碳納米材料取得了一定的進展，但目前僅限于實驗室階段，還沒有實現大規模的實際應用，因為還有一些問題有待于解決，如碳納米材料易團聚，生物分子不穩定，過程繁瑣，電極穩定性差，實驗結果不能重現等。

4結語

納米材料是一種非常重要的新型材料，應用前景良好，在多個領域引起了廣泛的關注。隨著研究的日益深入，相信還會有更多方面的發展和應用展現出來。

參考文獻

[1] 張婷，白小東，肖丁元，等. 納米材料在鉆井液中的應用研究進展[J]. 鉆采工藝，2014，37（2）：89-92.

[2] 李衛紅. 納米技術在石油化工催化劑領域的研究進展[J]. 化工管理，2015，（5）：95.

[3] 鄭愷，張巨擘，遠方，等. 納米催化材料在污染物中的應用[J]. 廣東化工，2017，44（20）：111，116.

[4] 杜善義.納米復合材料研究進展[J]. 上海大學學報（自然科學版），2014，20（1）：1-14.

[5] 姜俊穎，黃在銀，米艷，等. 納米材料熱力學的研究現狀及展望[J]. 化學進展，2010，22（6）：1058-1067.

[6] 錢伯章. 納米技術現狀及在石化業的應用[J]. 國際化工信息，2004（11）：11-13.

[7] 吳金橋，張寧生. 納米材料在石油工業中的應用展望[J].河南石油，2003，17（6）：48-52.

[8] 張曉媛，顧平，張光輝.納米材料在放射性廢水處理中的吸附應用[J]. 環境化學，2016，35（10）：2162-2170.

[9] 強璐，石艷玲，徐俊，等. 納米材料在水處理中的應用研究進展[J]. 環境科學與技術，2014，37（120）：252-256.

[10] 王馨，胡文忠，陳晨，等. 納米材料在果蔬保鮮中的應用[J]. 食品與發酵工業，2017，43（1）：281-286.

[11] 張瑞銳，郭永聰，羅剛，等.納米材料在綠色建筑中的應用及其挑戰[J]. 硅酸鹽通報，2014，33（6）：1408-1412，1417

[12] 豆小文，褚先鋒，楊銀慧，等. 納米材料在農藥殘留分離腹肌和檢測中的應用進展[J]. 藥物分析雜志，2015，35（9）：1509-1519.

[13] 馮曉苗，李瑞梅，楊曉燕，等. 新型碳納米材料在電化學中的應用[J]. 化學進展，2012，24（11）：2158-2166.

Research Progress on the Application of Nanomaterials

DIAO Run-li

（Henan Quality Polytechnic， Pingdingshan， Henan 467001）

Abstract： Nanoscale that is typical of nanomaterials makes them possess many excellent properties. So it is being used more and more widely. The application in the fields of water treatment，fruits and vegetables preservation，green building，pesticide residues and electrochemistry were reviewed. The problems in the process of application were analyzed. Finally，the wide application prospect of nanomaterials was forecasted.

Keywords： nanomaterials;application;research;progress;