纳米材料应用范文

纳米材料应用范文（精选11篇）

纳米材料应用 第1篇

广义上的纳米材料是指组成物质的粒子至少有一维尺寸处于纳米级别。按照纳米粒子单元三维空间尺寸, 纳米材料可以分为三类, 分别是: (1) 一维纳米材料, 主要包括纳米颗粒和原子团; (2) 二维纳米材料, 其知粒子仅有一维尺寸处于纳米级别, 例如纳米丝; (3) 三维纳米材料, 其粒子仅有二维尺寸处于纳米级别, 例如薄膜材料。

2 纳米材料的发展和应用前景

2 l世纪的三大技术支柱是指新材料技术、生物技术和信息技术, 而纳米技术的问世则显著地提升这三大支柱技术的性能指标。

2.1 纳米切削刀具纳米化

我国第一把纳米涂层金刚石刀具是在合肥工业大学问世的, 这标志着纳米材料已成功地应用到了机械加工领域。纳米材料涂层刀具与硬质合金刀具的比较如图1所示。

与硬质合金道具相比, 纳米涂层的金刚石刀具是在工具钢的基体上, 在真空状态下, 利用金属原子的电沉积性质, 将特殊性能的化合物氮化钛或氮化铝钛形成厚度为2~3μm的硬质涂层。其表层的硬度可达到HRC90, 心部材料为工具钢硬度HRG55, 有一定的韧性, 因此可以在切削加工时, 减少因轴向切削力作用而产生崩刃或断刀等情况。由于纳米涂层的金刚石刀具表层有足够的硬度, 因此不但可以切削硬度较高的材料, 而且还可以提高切削的效率。纳米涂层在提高刀具表面硬度的同时, 还提高了刀具表面的耐磨性。这样就可以减少刀具的磨刀次数, 进而延长刀具的寿命。对于刀具材料来说, 具有足够的热硬性是不可或缺的, 而涂覆纳米涂层可使刀具的使用温度达到750℃, 同时刀具的切削表面硬度仍能保持在HRC80以上, 这样, 刀具就有了持续切削的能力。

2.2 纳米隐身技术

正是由于具有高超的纳米隐身技术, 因此以美国为首的多国部队的战机才在第一次海湾战争中成功地避开了伊拉克雷达的监控, 并以迅雷不及掩耳之势出现在伊拉克首都的上空, 一举摧毁了伊拉克的重要目标, 那么, 纳米隐身技术的原理是什么呢?其原理就是:当材料粒子的尺寸小于或接近光波的波长时, 粒子吸收光波的能力就会明显增强, 从而使光波的反射能力大幅衰减, 这样, 雷达就无法接受反射波, 进而达到了隐身的目的。另外, 由于纳米添加剂的尺寸很小, 因此增加了基体的表面积, 也就是说, 位于基体表面积的原子数量与原子总数量的比值将大幅度提高。研究表明, 在加入纳米添加剂后, 原子数比值增加了100倍左右, 从而提高了基体的表面能, 加强了原子的表面活性和粒子的吸附能力。

2.3 能源产业纳米化

绝大多数能源, 如煤炭、石油和天然气等都是不可再生资源, 照目前的能耗情况发展下去, 地球可能会出现能源枯竭的现象, 因此, 可再生能源的发展受到了各国的重视, 而纳米能源材料的研究也已经成为了世界上发达国家研究的重要课题。近年来, 我国开发和利用的新能源材料的研究获得了新的突破, 主要表现在纳米催化材料和光电转换材料上。由于纳米染料敏化太阳电池具有充电快、容量高、寿命长等特点, 因此国内一些高校和科研院所也都致力于纳米Ti02染料敏化太阳电池的研究。

3 结束语

纳米技术的发展与工业领域中其他技术的发展是密不可分的, 同时, 纳米技术的发展已经渗透到其他各种技术的发展中, 特别对信息工程、生物工程和机械工程中的技术变革起到了至关重要的作用。随着纳米技术研究的不断深入, 它会在各领域的发展中起到越来越大的作用。

摘要：纳米技术的发展水平决定了一个国家的工业技术发展水平。结合纳米技术的定义, 简单介绍了纳米材料的主要性能和具体应用, 最后展望了纳米材料的发展应用前景。

关键词：纳米材料,纳米技术,粒子,光波

参考文献

[1]孙权, 李志.纳米科技应用[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[2]杜锋.微纳米刀具材料成分及其性能M].北京:机械工业出版社, 2005.

浅谈纳米材料的应用研究 第2篇

关键词：纳米材料；应用研究

前言：材料科学技术的应用范围广泛，是国民经济发展很重要的支撑，是航天、航空、国防、信息等高新技术进步和发展的基础。随着科技发展和科学进步的需要，材料的组成己开始由单一型向复合型、杂化型进行转化，颗粒粒径也由微米级向纳米级过渡。近些年来，纳米材料所具有的独特的化学和物理性质，给物理、化学、生物、材料、医药等学科的研究带来了新的机遇和挑战。因此，如何能够快速、简便、有效地制备出纳米粉体，正成为纳米材料的研究首先需要攻克的难题之一。

一、纳米材料的特殊性质

1.力学性质。纳米微晶材料有很大的表面积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，因此提高了材料的力学性能，由此可见晶界对于物质的力学性能有这重大影响。高韧、高硬度、高强度是结构材料开发应用的经典方向。具有纳米结构的材料强度会与粒径成反比，晶界纯度的提高和晶粒尺寸的减小，可以提高陶瓷类材料的反应活性及降低烧结的温度。纳米材料的位错密度比较低，位错的滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后的位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中的位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。据报道，不少纳米陶瓷和金属的硬度均高于普通材料的4-5倍以上。与硬度相对应，纳米销的屈服应力的强度也比普通的钯高出5倍。研究结果表明，纳米材料的弹性范围被大幅度展宽，屈服应力被大幅度提髙。

2.磁学性质。磁性金属和合金一般都会有磁电阻现象，所谓磁电阻现象就是指在一定磁场下电阻改变的一种现象。纳米多层膜系统的巨磁电阻效应会比普通磁头高出一倍以上，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外界磁场间存在着近似的线形关系，可用作新型的磁传感器材料。r-Fe2O3高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数也比传统粗晶材料低得多，因此磁性比FeBO3和FeF3等透明磁体至少高1个数量级，而对红外波段的吸收系数要比传统的粗晶材料低三个数量级，即使有透光性略低的缺点，但可广泛在磁光材料、磁光系统中得到应用。

3.电学性质。由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类型的粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库企堵塞效应制成的纳米电子器件则具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点，由于纳米桂薄膜中存在着大量的纯净界面，其导电机制以晶粒界面陷阱模型为主要途径，类似于多晶薄膜的传导机制，纳米微晶材料的电导率明显地高于同成分的晶态或非晶态材料的电导率，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

二、纳米材料的种类

1.纳米微粒。纳米微粒是指线度处于1-lOOnm之间的粒子聚合体，它是处于该几何尺寸范围的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不局限于球形，还有片状、针状、棒状、网状、星状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时被称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好正处于这两者之间，所以又常被称作超微粒。

2. 纳米固体。纳米固体是指由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又可称作纳米结构材料。

3.纳米组装体系。由人工组装合成的纳米结构材料的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及其组成的纳米丝和管作为基本单元，在一维、二维和三维空间进行组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能按照人们的意愿进行设计，使得整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料学、化学和物理学的重要前沿课题。

三、纳米材料的应用现状

1.在催化剂方面的应用。纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数也大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子的配位不全等导致表面的活性位置增加。纳米颗粒因表面积大、表面活性中心多等优势，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。纳米粒子用作催化剂，可大大提高反应效率、控制反应速度，甚至使得原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度会提高10-15倍。纳米微粒作为催化剂应用的较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物的制备方面。

2.在精细化工方面的应用。精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多、用途广泛，并且会影响到人类生活的方方面面。纳米材料在性能上的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示出它的独特魅力。在塑料、棵胶、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米Si02，就可以提高橡胶的抗紫外辑射和红外反射能力。普通橡胶中加入纳米Al2O3和Si02，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且其弹性也明显优于其他用白炭黑作填料的橡胶。在塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的韧性和强度，而且其致密性和防水性也会相应提高。纳米管在作纤维增强材料方面也有着潜在的应用前景。

3.在传感材料方面的应用。纳米粒子具有高活性、高比表面积、特殊的物理性质及超微小性等特征，是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳米粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化，因此利用其电阻的显著变化可做成传感器，其特点是灵敏度高、响应速度快、选择性优良。

四、结语

纳米材料是一种新型的材料，它具有广阔的应用前景。研究表明，纳米材料有其独特的结构和性质，具体表现在：一是有体效应，即由于纳米级的材料体积小、质量轻；二是有表面和界面效应，即由于组成纳米材料的基本单元的微粒子表面原子的不稳定性和纳米材料的界面组成的气体样结构而引出的效应。这两种效应互相影响、互相制约，某一种具体的宏观特异性质可能会是二者共同作用的结果。

参考文献：

[1] 漆宗能，尚文字.聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料理论与实践.[M].北京：化学工业出版社，2002.

纳米材料的应用及展望 第3篇

1 纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用

生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置, 用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物, 是一种全新的检测技术, 在生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。

在生物传感器的研制中, 人们尝试用多种新方法来固定酶, 以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强, 可以很牢固地吸附酶等生物大分子, 增加酶的吸附量和稳定性, 且蛋白质等物质吸附在纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。所以, 纳米颗粒一般用作固定载体。憎水银-金纳米颗粒可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度, 金属纳米颗粒本身就具有催化活性, 所以, 在GOD酶反应中纳米颗粒迅速地从被还原的GOD (FADH2) 获取电子而使GOD重新具有氧化性, 这样就加速了酶的再生速度。而且它有不同于块体材料的特性, 可使大量GOD牢固吸附在纳米颗粒表面, 在一定程度上钝化了酶的构型, 使其不易发生进一步的变化而失活, 增加了酶的稳定性和催化活性。纳米金可与巯基结合, 形成牢固的共价键, 增加了其固化GOD的稳定性而不影响其活性;纳米颗粒增加了三维电极的有效固定面积, 可以结合更多的GOD, 使得检测下限延长;同时纳米金的存在加快了GOD活性中心FDA/FDAH2与金电极表面的氧化还原反应, 因此制成了高灵敏度的生物传感器。并且经研究分析, 在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD制成的电极, 纳米铜加入后对葡萄糖的检出线低2倍, 最大响应电流高3倍, 灵敏度提高了2.5倍。

2 纳米材料在涂料方面的应用

纳米涂料利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解, 消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能, 使室内空气更加清新。经测试, 对各种霉菌的杀抑率达99%以上, 有长期的防霉防藻效果;纳米改性内墙涂料, 实际上是高级的卫生型涂料, 在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用, 适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装;纳米改性外墙涂料, 利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理, 较低的表面张力, 具有高强的附着力, 漆膜硬度高且有韧性, 优良的自洁功能, 强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力, 疏水性极佳, 容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次, 具有良好的保光保色性能, 抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。纳米涂层具有良好的应用前景, 将为涂层技术带来一场新的技术革命, 也将推动复合材料的研究开发与应用。

3 纳米材料在陶瓷上的应用

纳米陶瓷, 是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。它具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。英国著名材料专家Gleiter指出, 如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成, 则能够在低温下变为延性的, 能够发生100%的塑性形变。并且发现, 纳米Ti O2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性, 在180℃经受弯曲而不产生裂纹。

4 纳米材料在催化方面的应用

在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用, 它可以控制反应时间, 提高反应效率和反应速度。但是, 大多数的传统催化剂催化效率低, 制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪费, 而且对环境也造成污染。

所以, 在催化剂上, 纳米材料有极强的优势, 纳米材料的比表面积大, 表面活性中心多, 这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性.它可大大提高反应效率, 控制反应速度, 对比一般的催化剂, 用纳米微粒作催化剂的话, 可以将反应速度提高10~15倍。

目前在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中可直接用纳米态铂黑、银、氧化铝、氧化铁等做催化剂, 利用纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂, 燃烧效率可提高100倍。而且, 纳米材料催化剂的催化反应选择性还表现出特异性, 如用硅载体纳米镍催化剂对丙醛的氧化反应研究表明, 镍粒径在5nm以下时, 反应选择性发生急剧变化———醛分解得到控制, 生成乙醇的选择性迅猛上升。在有机物制备方面, 纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂, 分散在溶液中的每一个半导体颗粒, 可近似地看成是一个短路的微型电池, 用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时, 半导体纳米粒子吸收光产生电子———空穴对。在电场作用下, 电子与空穴分离, 分别迁移到粒子表面的不同位置, 与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。还有光催化反应等等, 用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究, 是未来催化科学不可忽视的重要研究课题, 很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

5 纳米材料在磁性材料方面的应用

近年来随着信息量飞速增加, 要求记录介质材料高性能化, 特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元, 可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小, 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。此外, 在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘, 在转轴处也已普遍采用磁性液体 (磁性液体:它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂, 然后弥漫在基液中而构成) 的防尘密封。

纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。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。

6 总结

由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义, 世界各国 (地区) 纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器, 相继制定了发展战略和计划, 以指导和推进本国纳米科技的发展。目前, 世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划, 但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。

我国政府在2001年7月就发布了《国家纳米科技发展纲要》, 并在国家中长期科技发展纲要中明确中国纳米科技发展的路线图。目前我国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多, 主要以金属和无机非金属纳米材料为主, 约占80%, 高分子和化学合成材料也是一个重要方面, 而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

参考文献

[1]王瑞金.磁流体技术的应用与发展.新技术新工艺, 2001.

碳纳米材料的性能及应用作业. 第4篇

摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。

一.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60(零维 b.碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c.碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。

由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。

碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。

二.碳纳米材料的性能

2.1 C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。

(1超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。

(2光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

(3功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。

(4新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应, 因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。

2.2 碳纳米管的结构性能及应用

由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。

碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方(hcp , a = 0.24568nm, c = 0.6852nm, c / a = 2.786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。

碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有

关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。

(1纳米电子学方面

作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.(2信息科学方面

碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示

器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作.(3能源方面

由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组, 在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出.(4材料方面应用

碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”,是复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。

(5制备纳米材料的模板

一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的

纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。

(6催化剂载体

纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。

(7复合材料增强相

碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

(8纳米器件

纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。

纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置

电压下,即可获得0.1~1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。

2.3 石墨烯的主要性质及应用

石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110--130 GPa[6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2×105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前

景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统 IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。

(1锂离子电池中的应用

石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。

(2计算机芯片材料中的应用

马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其 n 型场效应晶体管和 P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为

微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的 1G(109的计算机快1000 倍.(3减少纳米元件噪声领域的应用

普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则 Hogue’Slaw”.因此,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司[25-27J宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。

三、总结

随着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来,碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。

参考文献

浅谈综合材料绘画中的材料应用 第5篇

关键词：综合材料；绘画；材料应用

作者简介：汤宽亮，汉族，籍贯：四川成都，成都大学硕士研究生，研究方向：油画。

[中图分类号]：J2 [文献标识码]：A [文章编号]：1002-2139（2016）-14--01

综合材料绘画把材料作为主体，就需要了解每一种材料的属性和社会属性。为了使艺术家所创作出的作品与时俱进，代表当下的社会现象就需要不断改进与了解材料，同时社会经济的发展，生活水平的高低也会影响艺术家作品创作的灵感，怎样更好的合理应用材料就十分重要。

一、绘画材料的发展

古代胶彩画是欧洲最早出现的绘画形式，一种应用胶为媒介，把天然的矿物粉末与水调和，用笔在纸或木板上作画。

然后是丹培拉绘画是在木板上用蛋黄和水调和颜料粉的绘画，采用多层叠色法使作品的颜色不断叠加，达到饱和的效果。圣像画是这一时期的主要内容。最后是油性丹培拉绘画，油性丹培拉就是以油作为媒介，油的优势就是使画面更加真实。凡爱克兄弟是丹培拉混合技法的代表，他们解决了油画快干的速度，并且这种作画方式更能保存绘画作品。

总之，从古代胶彩画到丹培拉绘画，油性丹培拉绘画这基本都属于“间接绘画”系统，直到印象主义绘画的成熟，“直接画法”成为艺术家普遍使用的方法。美术材料的发展，艺术家在市场中买的管装颜料代替了手工研磨的矿物粉，管装颜料颜色多达几十种，节约了研磨的时间，艺术家能利用更多的时间在艺术作品创作之中。油画布以白色底为主，采用快速挥发的油做媒介，艺术家可以在调色盘上调和复合色，直接画在画布上，这样更能在画面中看见笔触的个性化、自由随性的表现。

纵观绘画材料的发展，材料的影响使“直接画法”代替了“间接画法”的绘画形式。传统艺术发展到现当代艺术，材料作为绘画的载体，演变成了材料作为绘画的主体，材料完美的改变了艺术身份[1]。现当代艺术把综合材料作为主体是跟时代的气息和审美风格息息相关，人们不再是追求真实物体的再现而是内部意蕴通过综合材料来表达艺术源于生活又高于生活，使精神、情感、内涵高度统一。

二、国内画家对材料的应用及观念的表达

当下我们最耳熟能详的当然就是蔡国强的火药，火药是作为蔡国强最重要的创作材料。在采访中，蔡国强曾这样提到过他的艺术深受道家思想、东方神秘主义、风水学说、传统中国宇宙论的影响。蔡国强把艺术方向转向了大自然，他的转向是把这些材料作为绘画形象。

1985年，蔡国强创作的《自画像》（如图一）该画高167厘米，宽118厘米，画面中的人物的大小跟真人差不多表现的像是艺术家本人一样，整个画面给人一种模糊的感觉没有对画面进行细致的刻画[2]。人物消瘦赤裸裸的伫立着，剪影般的人物框架凸显在画面的背景之中，画面中黄色的油画颜料更加突出人物的一种孤寂，包括在人物的四周用导火索烧出的清晰又模糊的痕迹更能加强画面的丰富层次。从这样一幅作品中让人联想到中时期那些受难的圣徒，他们的生活过的是多么的凄惨，画面中使用火药爆炸的那一瞬间也象征了人们追求解脱个人自由的强烈愿望。

三、综合材料绘画中材料应用的感受

综上所述，艺术家作品中材料的分析和材料应用观念的表达，说明了对任何一位艺术家的作品分析不能片面，要从绘画中反映艺术家的思维，把这种思索通过具体的材料形象加以阐述，揭示艺术家进行创作时的技术、感性的模式，促进个人创作思维的训练。材料艺术的创新，表现力的丰富，有助于艺术家对观念的阐述，思想内涵内外在的表达。

材料作为新的绘画语言是当今有价值的研究，在材料中材质也是一个核心问题，材质决定物质自身的价值特性和材料的精神。每一种材料都有其自身的特性和值得大家关注的价值。在创作过程中，有时材料决定整幅作品的创作表达视觉方向，当主观决定时，材料根据人的意志同时也随自身特性变化，材料的真实感取代了绘画中虚幻的错觉。在创作过程中我们也应该保持理性的态度进行创作，在完成作品后反复总结经验和探索创新才能达到感性与理性的完美结合。

材料在大自然中随处可见，作为一名艺术工作者，你采用怎样的材料与你的艺术风格是密不可分的，我们需要去发现大自然中不同材质的艺术特征，热爱大自然，在自然中去寻找属于你自己个性的东西，勇敢尝试不同的材料进行试验，最终一定会找到适合自己的特种材料，并以材料进行创作。艺术需要不断去探索与实践，材料的合理利用是个性风格特征很重要的一方面，如何将材料的自然属性与画家的心理属性所表达的图示语言有一种非常自然的结合，这是我需要不断去思考和总结的经验。从而更好地运用到我的作品创作之中，才能使绘画语言更加丰富、突出、生动。

参考文献：

[1]张元，油画教学的·材料艺术工作室[J].2007.

浅谈纳米材料及其应用 第6篇

1 纳米和纳米材料的定义

纳米 (符号为nm) 和厘米、分米和米一样是长度单位, 一纳米等于十的负九次方米, 相当于4倍原子大小, 比单个细菌的长度还要小, 而我们人类的一根头发的直径一般为7000-8000纳米。

纳米材料:纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 (1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的材料, 这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

2 纳米材料的基本性质

2.1 小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时, 晶体周期性的边界条件将被破坏;非晶体态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小, 导致声、光、电磁, 热力学等物性发生变化, 这种由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。例如:高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

2.2 表面效应

物质的尺寸减小到纳米级时, 将引起物质表面原子数、表面积、表面能的迅速增加, 从而引起物质的化学活性、物理性质的明显变化。例如:5nm的粒子, 表面原子占50%;而2nm的粒子, 表面原子占80%。

2.3 量子尺寸效应

随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围, 准连续能带将分裂为分立的能级, 能级间的距离随粒子尺寸减小而增大, 这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。例如:粒径为20nm的银微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。

2.4 宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来, 人们发现一些宏观量, 如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应, 他们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化, 这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。例如:扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道效应。

3 纳米材料的应用

随着纳米科技的迅速发展, 纳米材料的应用越来越广泛, 正在极大地改善我们的生活。

3.1 纳米材料在生活领域的应用

衣:例如我们穿的衣服, 如果在纺织和化纤制品中添加纳米微粒, 可以起到除味杀菌和自动清洁的作用;我们都知道化纤布虽然结实, 但总会起静电, 如果加入少量金属纳米微粒就可以消除烦人的静电。

食:我们利用纳米材料制作的冰箱可以抗菌, 可以做成无菌的餐具和食品包装等;利用纳米的粉末, 可以使废水彻底变清澈, 完全达到引用标准。

住:利用纳米技术可以使墙面涂料的耐洗刷性提高10倍;在玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层, 可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖, 不用擦洗;含有纳米微粒的建筑材料, 还可以吸收对人体有害的紫外线。

行:用纳米材料可以提高和改进交通性能指标;纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料, 这样就能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。

3.2 纳米材料在生物医学领域的应用 (1) 靶向定位载药纳米颗粒

靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到细胞内结构的三级靶向治疗, 从而达到向病灶部位缓慢释放药物, 维持长期局部有效的药物浓度, 实现靶向定位给药, 这样, 既能大大减少药物对人体其他部位的副作用, 又能对病情实现有效地治疗。

(2) 载药磁性纳米颗粒

它是将有高分子和蛋白质分子的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到人体或动物体内, 在外加磁场的作用下, 通过纳米粒子的磁性导航, 将药物送到病变部位, 从而到达定向治疗的目的。

(3) 纳米基因载体

一些特殊的纳米粒子可以进入细胞结构达到基因治疗的目的。如:国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用定位于细胞;还有人研究了一种树突状的多聚物, 发现它可以成为一个很好的DNA导入细胞的载体, 即具有纳米基因载体的作用。

(4) 用作生物器件

使用纳米技术制成的微型药物输送器, 可在体外电磁信号的引导下准确地把药物送入人体, 并主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液, 就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。用纳米材料制成的微型机器人, 能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀物, 还可以用来“嚼碎”泌尿系统的结实等。

3.3 纳米材料在信息领域的应用

3.3.1 纳米技术制造的电子器件, 其性能大大优于传统的电子器件, 更小、更快、更低能耗, 而且信息存储量更大。

3.3.2 纳米信息材料主要包括以下三大类型: (1) 纳米电子材料

单电子晶体管;该晶体若为金属一般为几个纳米, 若为半导体一般为几十个纳米, 它们充分放电时, 表现出电荷传输的量子化行为, 即电子不能集体传输, 而是一个一个的单电子传输。

单电子存储器:利用库仑阻塞效应和库仑振荡可以控制纳米颗粒中单电子的迁移和驻留, 可见, 单电子存储器很适合用作高密度储存器。

纳米芯片:即集成电路块, 随着集成电路集成度的不断提高, 芯片中集成电路的条宽已经小到0.3微米以下, 若再缩小, 将受到一些列物理原理的限制。为了使电脑更加智能化、人性化、需要进一步提高芯片的集成度, 这就要突破芯片原有的设计原理, 向纳米芯片进军。

纳米电脑:主要有量子计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑、神经电脑。

(2) 纳米光学材料

光子晶体:光子晶体具有一个完整的光子禁带和光子局域, 所以它的应用非常广泛。比如:高功率低损耗反射镜、光子选频滤波器等。

光子储存器:它的最大优点是:超高的记录速度、超高的分辨率、超高的存储密度。

光电脑:它是由激光器、透镜、反射镜组成的电脑。它是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对信息进行处理的, 其处理信息的速度可到现有半导体硅器件的1000倍。而且不同光束相交时可以互不影响地独立进行传播。这使得光电脑能够在非常小的空间里开辟出很多平行的信息通道。

(3) 纳米磁性材料

巨磁阻材料:它是指在一定的磁场下电阻急剧减小的现象, 减小的幅度比常用材料要高出10倍。

磁记录材料:纳米颗粒、纳米薄膜可以是很好的磁记录材料。

除此之外, 纳米材料还在航空航天、海水净化、环境能源、纺织工业等其他领域也有着广泛的应用, 纳米材料在未来必将取得更高、更大的发展。

参考文献

[1]魏方芳.纳米材料的研究及应用[J].化学工程与装备, 2007 (3) .[1]魏方芳.纳米材料的研究及应用[J].化学工程与装备, 2007 (3) .

[2]赵玉岭.纳米材料性质及应用[J].煤炭技术, 2009 (8) .[2]赵玉岭.纳米材料性质及应用[J].煤炭技术, 2009 (8) .

制革用纳米材料及其应用前景 第7篇

纳米技术是在20世纪80年代末诞生并崛起的新兴科学,指纳米材料和物质的获得技术、组合技术以及在各个领域中的应用技术。目前通常把0.1～1μm体系有关现象的研究称为介观领域,而纳米体系和团簇就从这种狭义的介观领域中独立起来,纳米是指10-9～10-7m范围的一个尺度概念。科学家们发现,当某些物质颗粒达到纳米尺寸范围内时,其物理化学性质将发生巨大改变,产生奇异优良特性。因此,纳米材料就成为科学家们致力研究的焦点。短短几年时间,科学家们利用先进的科技手段,完成了利用扫描隧道显微镜直接操作原子制备奇异特性的纳米材料、纳米生物、纳米机械及机械人等重大研究成果。在我国,纳米技术研究已经历了十几年的发展,在纳米材料制备和应用方面取得了举世瞩目的成就,纳米碳管已经在实验室完成制备;超重力法制备纳米粉体、纳米塑料尼龙、超双亲双疏材料、纳米建材等已经进入产业化阶段。纳米材料突飞猛进的发展,在不远的将来将成为高新技术的源头,大大改变我们的生活。

同样,纳米材料对制革行业已经产生并正在产生着巨大的冲击。纳米材料具有较大的比表面积、较小尺寸、较大表面原子数、表面能以及由表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光的敏感性和表面稳定性不同于常规粒子的物理性能,同时具有特殊的吸附性和不同流变学等特性。这使得它在皮革工业中具有广阔的应用前景。

2 纳米鞣剂及其应用

鞣制是制革中的关键工序之一。铬鞣自其广泛应用以来一直在鞣制领域占据统治地位。铬鞣剂及其鞣法具有悠久的历史,它具有许多其它鞣剂所不可比拟的特性。在无机配合物鞣剂中,铬鞣剂鞣制革的耐水洗能力最强,收缩温度最高,而且手感柔软、丰满,综合性能最好。但六价铬对人和动物的呼吸系统、消化系统、神经系统、皮肤都会产生不良影响,严重的还具有致畸、致癌作用;而且我国是铬资源相对贫乏的国家之一,所以少铬或无铬鞣剂必将成为我国乃至全世界制革行业的研究焦点[1,2]。

制革工作者在通过长时间的探索,少铬或无铬鞣剂得到了很大的发展。董秋静、郑建伟等人以尿素、乙二醛、氢氧化钠等为原料合成新型无机鞣剂,然而无机鞣剂鞣革在收缩温度等方面还是无法与铬鞣革相比。杜光伟等[3]考察了醛鞣剂、油鞣剂等有机鞣剂,发现合成有机鞣剂鞣制的成革丰满性虽好,但成革的柔软性和物理性能难以稳定,而且工艺中中性盐的使用量并不比铬鞣少。林海等[4]在综合研究铝鞣剂、钛鞣剂等多种无机鞣剂的基础上,进一步研究了无铬多金属配合物鞣剂,认为通过引入适当的有机配体,与无铬多金属配合物可以形成稳定的、具有反应活性的纳米鞣剂,并有希望成为替代铬鞣剂的一种有机-无机复合纳米鞣剂。

聚合物/无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的优异性能,而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能结合在一起,从而综合性能好。近年来,制革工作者致力于将纳米技术应用到皮革行业。有机-无机纳米复合鞣剂的设计思想是,利用无机纳米材料与皮纤维活性基团形成的纳米级结合,同时无机纳米材料与有机高分子链上的活性基团也形成纳米级结合,这样就通过纳米级分散的无机物,使高分子链与皮革纤维形成了网状交联,从而达到鞣制的目的。

蒙脱土为2∶1型层状硅酸盐,每个单位晶胞由2个硅氧四面体中间夹带一层铝氧八面体构成,两者之间靠共用氧原子连接,每层的厚度约为1 nm,层间距大约为1 nm左右。蒙脱土铝氧八面体上部分的三价铝被二价镁同晶置换,使层内表面具有负电荷,过剩的负电荷通过层间吸附的阳离子(如Na+、K+、Ca2+等)来补偿,很容易与无机或有机阳离子进行交换。许多单核和多核有机阳离子及生物阳离子均可通过离子交换作用引入到两蒙脱土层间。这些有机阳离子可使硅酸盐表面从亲水变为亲油,降低硅酸盐表面的表面能,提高其与聚合物基体及单体的相容性。有机阳离子可以带有各种官能团,这些官能团和聚合物反应,从而可提高无机物和有机高分子及基体之间的粘接性[5]。日本Toyota研究小组报道采用少量的蒙脱土制备尼龙-6/蒙脱土纳米复合材料,可以显著提高尼龙-6的耐热性能和力学性能。研究人员将其用于制备有机/无机纳米复合鞣剂并取得良好效果。马建中等采用插层聚合法制备的乙烯基聚合物/蒙脱土纳米复合鞣剂,单独鞣制浸酸猪裸皮,可以使坯革的收缩温度提高到89℃,也可以使绵羊皮鞣后的收缩温度达到76℃;再用0.5%铬鞣剂(以Cr2O3计)鞣制,可使皮革的收缩温度达到96℃,完全能够满足目前生产中对坯革收缩温度的要求。同时铬鞣废液吸尽率高;鞣后成革增厚明显,丰满而有弹性,透水汽性良好。而且对环境友好。

同时可以通过“嫁接”技术,把具有特殊性能的纳米粒子如Si O2接枝到复鞣材料分子上,或通过表面分散技术使其均匀分散于复鞣剂中,并根据该材料的性能调整制革工艺,使这些粒子均匀分散并牢固地固定在皮革纤维之间,以达到较好的鞣制目的。潘卉等[6]将纳米Si O2粒子与苯乙烯、马来酸酐在甲苯溶剂中用自由基共聚合的方式合成纳米复合鞣剂SMA/RNS。结果表明,由于在鞣剂分子中引入了纳米Si O2微粒,皮革的耐湿热稳定性和力学性能都有了显著提高。

3 纳米成膜剂及其应用

生皮经鞣制成皮革后还必须经过涂饰才能得到广泛应用,目前人们对皮革及其制品的质量要求越来越高,除了要求具有真皮特性之外,还希望具有防水、耐磨、耐光、可洗涤等高附加性能。尤其是皮革的表面涂饰,除了要求有常规涂层的坚牢度、柔韧性外,还要求具有自洁性、抗菌性、耐老化、耐黄变性、抗静电性、色彩变幻等性能[7]。这些性能已难以靠传统的物理和化学手段获得。为此,将纳米材料化学改性涂饰剂或作为助剂添加到涂饰剂中物理共混改性,以提高其性能并赋予特殊功能,已成为一个研发热点。

目前常用的皮革成膜剂主要有两大类高分子材料,即丙烯酸树脂和聚氨酯。纳米Si Ox的表面富含OH基与多异氰酸酯中的NCO基能够进行化学结合,同时聚氨酯的-NHCO-基中的活泼氢能与纳米粒子表面的氧原子形成氢键,纳米粒子与聚氨酯在界面上能进行有效的结合而达到改性。赵鹏翔[8]等将分散均匀的纳米Ti O2按不同比例混入工业用聚氨酯乳液中,得到纳米Ti O2/聚氨酯复合膜。结果表明,复合膜的防水性能、透气性能、物理力学性能和抗菌防霉性能均有不同程度的提高。张志杰等[9]研究了用乳液聚合法原位合成纳米Si O2/丙烯酸树脂复合涂饰剂,表明纳米Si O2的加入使丙烯酸树脂的玻璃化温度提高了12.2℃,用于皮革涂饰后,透水汽性提高7.42%,透气性提高7.33%。纳米材料具有很高的比表面积,表面自由能高,处于热力学的不稳定状态,纳米粒子之间极易凝聚成团,使得纳米复合皮革涂饰材料难以通过简单的混配制得。此外,纳米粒子往往是亲水疏油的,呈强极性,在有机介质中难以均匀分散,与基料没有结合力,易造成界面缺陷,从而导致材料性能的下降。因此,要制备由纳米粒子改性的皮革涂饰材料,需要对纳米粒子进行表面改性,调节其表面亲水性,改善其与有机介质之间的润湿性和结合力,以达到有效分散纳米粒子的目的。由于纳米粒子极大的比表面产生的吸附容易引起纳米粒子的团聚,张晓镭与顾玲杰[10]考虑了分散技术在皮革纳米涂饰剂上的应用,将纳米粒子进行表面改性进而改善两相物质界面的亲和性,有效避免了纳米粒子的团聚现象。

4 纳米制革废水处理剂及其应用

4.1 制革废水组成

众所周知,皮革生产要经过浸水、浸灰脱毛、脱灰、浸酸、鞣制、中和、加脂、染色等多种复杂的物理化学过程,使用了大量的化工材料,如酸、碱、盐、硫化钠、石灰、表面活性剂、铬鞣剂、加脂剂、染料、有机助剂等,除一部分被吸收外,很大一部分进入废水中造成污染。据估计,每吨皮耗水量分别为:猪皮80 t,牛皮100 t,羊皮110 t,原料皮只有30%～45%转化为成品革,其余则以皮渣、革屑、油脂、毛发等形式进入生产废水、废渣中。因此废水组分复杂,浓度高、色度大,有一定的毒性,属于污染严重且较难处理的工业废水。

制革废水主要来自生皮预处理和鞣制过程,这两股水量分别占制革废水总量的48%和28%。由于各个工段使用不同的化工原料及助剂,所以制革过程会产生多股不同类型的废水。猪革生产脱脂废水中,油脂质量浓度高达6～14 g/L,CODCr值最高可达10 000 mg/L。浸灰脱毛废水是污染物负荷最大的一股废水,含有大量的石灰、硫化物、色素、可溶性蛋白、脂肪、毛发以及有机物。其中硫化物质量浓度可达1～2 g/L,CODCr质量浓度为20 000～400 00 mg/L。以上两股废水呈强碱性,pH值为13～14。鞣制废水来自铬鞣工序,主要污染物是重金属Cr3+,废铬液中Cr3+质量浓度约为3～4 g/L,呈弱酸性。除此之外,还有中和、加脂、染色废水等。由于制革工艺过程的特殊性,污染物负荷相差较大的各股废水呈间歇性排放,在一天中不同时段,综合废水水量、水质波动很大,最大瞬时水量是平均水量的2～3倍[11]。

4.2 现行制革废水处理工艺

目前制革企业多采用将制革废水分隔处理,即含硫、含铬废液先单独处理,综合废水再采用“物化+好氧生化”处理的处理工艺。“物化+好氧生化”处理的处理工艺技术比较成熟,操作简单,处理后出水水质稳定,能够有效地减少制革废水的污染问题。但上述制革废水处理技术也存在着如下问题:(1)处理工艺动力消耗大,药剂投加量大,运行成本高;(2)生化处理部分不能维持微生物的高浓度,处理时间长;(3)产生大量的污泥,需要较多的处理和处置费用;(4)由于池内维持不了特定微生物菌的生存,难以将复杂的高分子有机物降解成为简单的低分子有机物,因而不能处理难降解的大分子有机物;(5)国家新颁布的国标(GB8978—1996)一级制革废水COD出水排放标准为100 mg/L,此法很难达到。

4.3 纳米材料处理制革废水

纳米二氧化钛(Ti O2)光催化氧化法是一项绿色环保、有广泛应用前景的水处理新技术,它具有传统废水处理方法无法比拟的优势,具有降解产物彻底、无选择性、不产生二次污染等特点。对降解染料、油脂等大分子有机物具有较好的效果,将其应用于制革废水的处理是一种新的有效方法。金属离子掺入Ti O2后,能够改变Ti O2相应的能级结构。杂质能级位于Ti O2的禁带之中,导带上的电子和价带上的空穴可被杂质能级捕获,使电子和空穴分离,从而降低了电子-空穴对的复合几时间、单位体积的光生电子和空穴的数量增多,载流子传递到界面发生氧化还原的机会也随之增多,因此Ti O2的光催化效率就提高了。同时,Ti O2带隙中这种能级的引入,使能量较小的光子能激发掺杂能级上捕获的电子和空穴,使Ti O2的吸收带红移,拓展了光谱响应范围。

许佩瑶等[12]将掺杂有Fe3+和Zn2+的纳米Ti O2薄膜用于光催化降解制革废水,在pH为6.5的条件下,对经Fe3+最佳掺杂膜、未掺杂膜光催化处理过的废水,和预处理过的废水进行可生化性的试验研究与分析,可知Fe3+掺杂膜的光催化作用可大幅度提高废水的可生化性。显然,此技术应用于制革废水的处理,定会取得意想不到的效果,将具有重要的应用价值。

5 结束语

纳米材料的引入将对制革加工产生深远影响,将可能使制革工业目前难以解决或无法解决的技术问题迎刃而解,从而给整个制革工业的发展带来翻天覆地的变化。可以预见,由于纳米鞣剂的广泛应用,将使皮革行业消除铬的污染,实现鞣制清洁化;纳米成膜剂的应用,能够改善涂膜的综合性能,更大程度地满足人们对皮革制品的性能要求;纳米材料在制革废水处理中的应用,将有望实现制革废水的无害化和资源化。可以肯定,制革行业在经历纳米革命后,一定会迎来更加美好的未来。

摘要：纳米材料能提高皮革及其制品的综合性能,将给制革行业的发展带来翻天覆地的变化。简要介绍了纳米材料的发展概况,通过对纳米材料在皮革鞣剂、涂饰剂以及处理皮革废水等方面应用的分析,提出纳米材料在皮革行业中的应用前景。

关键词：纳米材料,皮革鞣剂,涂饰剂,废水处理

参考文献

[1]陈新江,马建中,杨宗邃.纳米材料在制革中的应用前景[J].中国皮革,2002,31(1):6-10.

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[4]林海,但卫华,王坤余.无铬多金属配合鞣剂的研究进展[J].皮革科学与工程,2003,13(6):30-33.

[5]范浩军,石碧,段镇基.纳米级TiO₂或SiO₂的鞣革机理及鞣性的研究[J].皮革科学与工程,2003,13(1):18-21.

[6]潘卉,齐梅,张治军.SMA/RNS纳米复合物鞣剂的制备及性质研究[J].皮革与化工,2008,25(3):5-7.

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[8]赵鹏翔,陈武勇,夏燕.纳米SiO₂聚氨酯皮革涂饰剂的应用性能[J].中国皮革,2008,37(13):17-21.

[9]张志杰,马建中,胡静.原位生成纳米SiO₂/丙烯酸树脂皮革涂饰剂的研究[J].精细化工,2006,23(11):1112-1117.

[10]张晓镭,顾玲杰.分散技术在皮革纳米涂饰材料制备中应用展望[J].皮革化工,2005,22(1):13-17.

[11]李晓星,俞从正,马兴元.制革废水处理的研究进展[J].中国皮革,2003,23(19):26-31.

纳米纸实现材料应用“百搭” 第8篇

“通过前体物溶液浸润再水解的方式, 可以让二氧化钛薄膜包裹在滤纸的纳米纤维上, 之后再用含有其他化学分子的溶液继续浸润纳米纸, 就能制造出不同用途的新材料。”浙江大学化学系教授黄建国介绍, 肉眼看来, 纳米纸的外观与普通滤纸没有差别, 但功能却有了极大差异。黄建国说:“滤纸由无数的纤维素纤维组成, 自然形成的精细结构非人力所及, 而二氧化钛水解后产生的羟基具有足够的化学活性, 能够和绝大多数的分子相结合, 这两个材料的特性共同决定了纳米纸‘万金油’的特点。”

不久前, 黄建国在纳米纸纤维上“铺”了一层名为“萘胺”的染料, 让纳米纸变身为一遇亚硝酸盐就变色的检测试纸。“这种纳米纸轻薄灵敏, 色彩的浓淡则表明了亚硝酸盐浓度的高低, 对于检测食品中的亚硝酸盐浓度非常有效。”这项研究于今年2月在线发表于英国《皇家化学学会进展》期刊。

纳米材料在汽车涂料中的应用 第9篇

纳米面漆

汽车面漆是对汽车质量的直观评价, 它不但决定着汽车的美观与否, 而且直接影响着汽车的市场竞争力。所以汽车面漆除要求具有高装饰性外, 还要求有优良的耐久性, 包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能。

纳米涂料可以满足上述要求。纳米颗粒分散在有机聚合物骨架中, 作承受负载的填料, 与骨架材料相互作用, 有助于提高材料的韧性和其它机械性能。研究表明, 将纳米级O2粒子完全分散于树脂中, 可提高其机械性能, 尤其可使抗划痕性能大大提高, 而且外观好, 利于制造汽车面漆涂料;以纳米高岭土作填料, 制得的聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料不仅透明, 而且吸收紫外线, 同时也可提高热稳定性, 适合于制造汽车面漆涂料。

另外, 纳米材料还具有随角变色的效应, 在汽车的装饰喷涂业中, 作为后起之秀的随角变色效应颜料是纳米材料应用中最重要和最有发展前途的应用领域之一。例如将纳米O2添加在汽车、轿车等金属闪光面漆中, 能使涂层产生丰富而变幻莫测的色彩效果。纳米粉与闪光铝粉或云母珠光颜料并用于涂料体系时, 能在涂层的光照区的侧光区反射蓝色乳光, 从而增加金属面漆颜色的丰满度, 产生独特的视觉效果。

纳米玻璃涂料

利用纳米粉体材料较强的紫外线反射特性, 将纳米O2粉体按一定比例加入到涂料中, 可以有效地遮蔽紫外线, 使乘员免受紫外线辐射。将其涂于车窗玻璃表面, 在紫外线的作用下, 还可以分解沉积在玻璃上的污物, 氧化有害气体, 杀灭空气中的细菌, 具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火、净化车内环境、保证乘员身体健康等作用。

碰撞变色涂料

碰撞变色涂料是为了防止汽车碰撞留下隐患。在碰撞变色涂料内含有微型胶囊, 胶囊中装有染料。涂有这种碰撞变色涂料的汽车, 一旦外壳受到碰撞等强外力作用时, 胶囊就会破裂, 释放出染料, 使受撞部位颜色立即改变或变成指定颜色, 以提醒人们重视。

目前汽车外壳上的油漆, 受撞时不会改变颜色, 只是外观上略有变化, 这样其内部创伤不易发现而会留下后患。使用碰撞变色涂料后, 可根据变色情况对撞伤部位进行修复, 消除隐患。

抗石击涂料

汽车车体最贴近地面的部分, 经常受到各种溅起的碎石、瓦砾冲击, 最好采用具有抗石击作用的防护涂料;在汽车窗导槽等经常摩擦磨损部位, 应该使用具有低摩擦系数的涂料。在汽车涂料中添加纳米2O3、纳米O2等可提高涂层的表面强度, 提高耐磨性, 减少碎石、瓦砾的冲击损伤。

除臭涂料

在新车中往往会有异味, 它们来源于汽车内装饰材料中的树脂添加剂里所含的挥发性物质。另外, 汽车内的香烟味、汗臭味被座椅、壁板等表面吸收后, 留存于汽车内也很难清除。

纳米技术在建筑材料中的发展与应用 第10篇

摘要：近年来，随着纳米技术的不断发展，由于其本身具有的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等特点，使得其能够区别于传统的材料。纳米技术本身的理论价值比较深刻，且由于其独特的性质，获得了广泛的应用。这也是科学技术不断发展逐渐产生的高薪技术。在当前的社会中，纳米技术已经逐渐渗透到一些传统的产业中。在建筑材料中应用纳米技术，对建筑产业的发展有积极的应用。

关键词：纳米技术；建筑材料；应用

納米技术对未来社会经济的发展有重要的意义，纳米技术对建筑材料的发展也是十分巨大的。在近年来，人们对建筑行业的要求越来越高，对建筑材料的要求也越来越严格。通过在建筑材料中应用纳米技术，对促进建筑材料、建筑产业的进一步发展有积极的促进意义。

一、纳米科技的内涵、产生与发展

（一）纳米技术的内涵

纳米本身是一个长度单位，1nm=10-9m。纳米粒度是介于原子簇和宏观物体交界之间的过渡区域的。所谓纳米材料就是指该材料的几何尺寸基本可以叨叨纳米级，且该材料还具有特殊的性能。比较常见的纳米材料包括纳米结构晶体或三维纳米结构、二维纳米结构或纤维状纳米结构、一维纳米结构或层状纳米结构以及零维原子簇或簇组装四大类[1]。因为纳米材料自身的结构比较独特，因此还具有一些传统的的材料不具备的性质。

纳米技术最早是在胶体化学出现后，在科学家对直径1-100nm的微粒系统研究的过程中，物理学家在演讲中提出了纳米科技与纳米技术的问题。随后，就有学者将纳米微粒作为结构单元成功的合成了纳米块体材料。

（二）纳米科技的发展

在上世纪末，科学技术不断发展，出现了扫描隧道显微镜、原子力显微镜等以及原子操纵加工技术，能够直接对物资表面的原子结构进行观察，这对纳米科技的不断发展贡献出巨大的力量。学者与专家通过利用惰性气体蒸发原位加热法制出了具有清洁特性的纳米晶体材料，这也就预示着纳米技术从纳米科技中逐渐分离出来。通过不断促进纳米技术的发展，人类就可以根据自己的需求，对单个的原子与分子进行操纵，这也是21世纪科学不断发展的新课题。

二、纳米技术在建筑材料中的具体应用

随着人们生活水平的逐渐提高面对建筑材料的要求越来越高。通过在建筑材料中应用纳米技术，能够开发出具有更高价值与更多功能的建筑材料，从而促进建筑行业的不断发展。将一些具有特殊功能的纳米材料与建筑材料进行复合作用，从而能够使建筑材料具备新的功能。

（一）纳米技术在陶瓷材料的应用

在当前的建筑陶瓷材料中，应用纳米技术，使得传统的陶瓷材料逐渐向纳米陶瓷和纳米陶瓷基复合材料转变是主要的发展形势。因为传统的陶瓷材料质地较脆，且其韧性与强度都较差，这就使得其在建筑工程中的应用受到一定的限制。通过在陶瓷材料中应用纳米技术，及可以使传统的陶瓷材料中的晶粒细化，这也可以促使晶粒内的滑移实现，从而使材料更加具有可塑性[2]。同时，晶粒细化也可以有效的减少陶瓷材料中的缺陷与气孔。在陶瓷基体中加入纳米材料，还能有效的改善材料的强度、韧性及其高温性能。可以通过应用纳米SiC、Si3N、SiO2等制成的陶瓷材料，其硬度、强度与韧性都得到有效的提升，且具有低温超塑性等特点。这就使得纳米陶瓷作为具备耐热性、耐磨性等特性的新型材料，在建筑工程中获得更加广泛的应用。

（二）纳米技术在玻璃、塑料和橡胶制品的应用

纳米技术在玻璃、塑料以及橡胶等建筑材料领域也获得了较为广泛的应用，

纳米材料在玻璃、塑料和橡胶等领域都能发挥重要作用。在橡胶材料中加入纳米Al2O3和SiO2，可以使其介电性和耐磨性得到有效的提升，且与传统的用炭黑做填料的橡胶相比，其弹性也有明显的增强。在一些有机玻璃的生产中加入经过表面修饰的SiO2，不仅不会影响该玻璃材料的透明度，还能使该玻璃材料的韧性与强度得到提升，还能有效的屏蔽紫外线，其功能的完善性远远超出了传统的钢化玻璃与镀膜玻璃。通过在透明塑料的生产中加入Al2O3和SiO2，发挥其本身的可塑性强，粒度小和透光的特点，能够使塑料材料的透明度、强度和韧性得到较大的提高，同时还能减少外界紫外线对材料的损害，从而在建筑塑料中获得广泛的应用。

（三）纳米技术在粘合剂、密封胶和润滑剂方而的应用

在一些国家中已经大胆的将国外已将纳米SiO2作为添加剂的一种，将其加入到建筑用粘合剂和密封胶中，从而能够使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能得到有效的改善与提高。主要是因为在SiO2外，即在其表面上形成并覆盖有机材料，该材料形成后就具有永久的功效，应用纳米技术将其添加到密封胶中，就可以形成纳米硅石结构，其胶体流动就会逐渐形成网络结构，其粘结效果得到有效的提升[3]。且因为使用纳米技术后，其颗粒更小，其密封性也就得到了进一步的提高。在一般的建筑工程施工时，大型的器械都会发出较大的噪音，通过使用纳米技术制成的润滑剂，因为在其表面已经形成了半永久性的固态膜，其润滑效果得到有效的提升，就可以使噪音得到控制与降低，同时也能使该设备的寿命延长。

结束语

纳米技术由于其独特的功能，在建筑材料中与传统的材料结合起来，获得了广泛的应用，使得传统的建筑材料产业得到了进一步的发展。且在近年来在建筑行业不断发展的基础上，越来越多的纳米技术应用其中，必将会对建筑材料、建筑行业的发展产生深远的影响为了能够进一步实现纳米技术与建筑材料的发展，还需要进一步开发具有新功能的纳米材料，并逐渐扩展纳米技术在建筑材料中的应用。

参考文献：

[1]张浩，刘秀玉.纳米技术在建筑涂料中的应用及发展前景[J].涂料工业，2012，05：72-74.79.

[2]张瑞锐，郭永聪，罗刚，刘雄伟.纳米材料在绿色建筑中的应用及其挑战[J].硅酸盐通报，2014，06：1408-1412.1417.

TiO2纳米材料的光伏应用 第11篇

1 在染料敏化太阳能电池中的应用

基于Ti O2纳米晶电极, 染料敏化太阳能电池 (DSSC) 得到了广泛的研究。DSSC系统的心脏是一个电荷转移附着在单层介孔Ti O2纳米薄膜, 该膜与氧化还原电解质或有机孔导体接触, 光激发的电荷注入Ti O2的导带, 电子可以传导到外部电路来驱动负载。电荷的原始状态随后由电解质捐赠电子恢复, 电解质通常是含有氧化还原系统的有机溶剂。

在过去的几十年里, 研究人员努力提出大量优化的有机染料提高DSSC的效率, 而近年来研究方向主要集中在Ti O2纳米晶电极, 并取得了一些重要结果。

1.1 介孔Ti O2纳米电极

Zukalova等人发现有序介孔Ti O2纳米晶薄膜与随机取向的相同厚度的锐钛矿型纳米晶传统薄膜相比提高了50%的转换效率[1]。

1.2 Ti O2纳米管电极

Adachi等发现无序单晶Ti O2纳米管电极 (10 nm直径, 长度30~300 nm) 染料敏化太阳能电池, 显示效率为4.88%, 与那些在类似的薄膜厚度区域的P25 Ti O2纳米粒子电极相比显示出了超过两倍的短路电流密度, Ti O2纳米管基电极的太阳能电池效率更高[2]。

1.3 倒生的Ti O2蛋白石

固态染料敏化太阳能电池获得的效率比较低是由于进入到Ti O2纳米薄膜里面的材料渗透性比较差和空穴传输层与Ti O2电极产生的非接触。Somani等人提出一种提高固态染料敏化电池效率的方法, 使用大的表面积的Ti O2反蛋白石薄膜制备固态染料敏化有机无机杂化太阳能电池电极。反蛋白石Ti O2薄膜的使用与Ti O2薄膜相比会使得光转换效率至少提高1级以上, 研究发现蛋白石电池更好的性能是由于Ti O2介孔薄膜允许空穴传输, 材料很容易就渗透到广泛、良好的连通孔隙中, 且允许与染料良好接触, 因此电池的效率最好。

1.4 混合Ti O2纳米电极

Han等发现一个混合的锐钛矿相和金红石Ti O2电极与纯锐钛矿组成的电池相比较, 太阳能电池转换效率得到提高[3]。

染料敏化太阳能电池转换效率降低是由于感光电子氧化染料分子的重组损失或者纳米Ti O2表面的氧化还原, 已经采取了各种各样的方法来防止这种损失。Kang等人在TCO基板和Ti O2层之间添加一个Ti O2-WO3复合材料的缓冲层并且发现缓冲层有效地隔离染料分子和电解质直接接触导电基板。

染料敏化太阳能电池的操作条件下, 电子需要扩散到周围的Ti O2层的在距离电子受体只有几纳米的几微米深处。Ti O2层的多孔结构提供了大量的表面积, 允许吸收足够的染料分子达到显著的光学密度。然而, 这种结构也提高了复合过程, 也降低了DSSC的总转换效率。已经证明核壳纳米Ti O2电极组成的纳米Ti O2薄膜表面覆盖着的另一层金属氧化物Ti O2表面形成的能量势垒使重组变得缓慢。Zaban等人发现, Ti O2/Nb2O5多孔电极可提高染料敏化太阳能电池性能的35%[4]。

2 在金属/半导体结的Schottky二极管太阳能电池中的应用

Mc Farlanda和Tang报道, 一个多层光伏器件结构中光子的吸收发生于沉积在超薄金属/半导体的肖特基二极管表面的光感受器上[5]。

光子器件的电子发生转换有4个步骤:第一步, 光的吸收发生在吸附的感光细胞表面, 产生高能电子;第二步, 激发态感光电子被注射到相邻的导电水平的导体, 它们以费米能级为Ef=1E的能量弹道学地穿过金属;第三步, 假如1E大于Schottky势垒高度f, 载流子的平均自由程比金属厚度长, 电子穿过金属进入半导体传导水平 (内部电子发射) ;第四步, 被吸收的光子的能量被保存在剩下的自由能过剩的电子, 当被后面的欧姆接触收集产生光电压V。热化电子转移使在相邻的金属态Ef附近的光氧化染料被还原。这种替代光伏能量转换的方法可以为使用各种材料、耐用的低成本太阳能电池提供依据。

3 掺杂Ti O2纳米材料为基础的太阳能电池

Lindgren等发现N-Ti O2掺杂的纳米多孔薄膜显露出波长在400~535 nm范围的可见光吸收, 生成一个与电流效率响应的射光子光谱。为了获得最佳的氮掺杂Ti O2电极, 相比纯Ti O2电极行为由于可见光增加约200倍的中等偏差, 就产生了光生电流。

4 结语

Ti O2纳米材料在太阳能电池中的应用很大程度地提高了太阳能电池的光电转换效率, 从而尽可能地降低了能量损耗的问题, 给新能源的开发提供了可行的思路。Ti O2纳米材料在光伏应用中非常活跃, 在寻找可再生清洁能源技术中扮演着重要的角色。

参考文献

[1]赵斌, 胡益锖, 杨森, 等.太阳能综述[J].化工装备技术, 2012 (1) :57-64.

[2]虞华, 郭宗林, 陈光亚, 等.新能源产业现状及发展趋势[J].中国电力, 2011 (1) :83-85.