關(guān)于二維層狀納米材料性能的若干研究

摘要:納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征，引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)對(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái)，它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用，并顯示出它的獨(dú)特魅力。

關(guān)鍵詞:納米材料化工領(lǐng)域 應(yīng)用

納米材料的結(jié)構(gòu)由表面(界面)結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成，粒徑介于原子團(tuán)簇與常規(guī)粉體之間，一般不超過(guò)100nm，與電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)。粒徑越小的納米材料，其界面組元的比值越高，低動(dòng)量電子散射量越大。納米材料的界面組元中含有相當(dāng)量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。由于不同的納米材料各具獨(dú)特效應(yīng)，如界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)\\量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng)等，進(jìn)而導(dǎo)致在聲、光、電、磁、熱、化學(xué)作用及力場(chǎng)下，呈現(xiàn)各自不同的特異性能，從而作為吸波材料(隱型材料)、高性能磁記錄材料、磁性液體、復(fù)合材料、超導(dǎo)材料、新型高效催化劑、發(fā)光材料、特種涂料及新型醫(yī)用材料等逐步應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域。

一、納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用

1、在催化方面的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。

納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。

2、在涂料方面的應(yīng)用

納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料，可獲得納米復(fù)合體系涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性;功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能。

3、在精細(xì)化工方面的應(yīng)用

精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)福音，并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。

二、二維層狀納米材料的性能與特征

1、二維層狀納米材料的結(jié)構(gòu)可控性

因納米LDHS的特殊層狀結(jié)構(gòu)及組成、其在以下方面具有可調(diào)控性:

1)層板化學(xué)組成的可調(diào)控性

納米LDHS的層板化學(xué)組成可根據(jù)應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整。在一定范圍內(nèi)調(diào)變?cè)吓浔龋瑢影寤瘜W(xué)組成則發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致層板化學(xué)性質(zhì)、層板電荷密度等相應(yīng)變化;

2)層間離子種類及數(shù)量的可調(diào)控性

根據(jù)應(yīng)用需要，利用主體層板的分子識(shí)別能力，采用插層或離子交換的方式進(jìn)行超分子組裝，可改變其層間離子種類及數(shù)量，進(jìn)而使納米LDHS的整體性能發(fā)生較大幅度變化;

3)晶粒尺寸及其分布的可調(diào)控性

控制納米LDHS的合成條件，可在20-60納米范圍內(nèi)精準(zhǔn)調(diào)整晶粒尺寸，同時(shí)使晶粒尺寸分布窄化，達(dá)到均勻分散。

2、層狀納米材料的結(jié)構(gòu)與性能

充分利用以上各調(diào)控因素，可制備得到具有如下特征的層狀結(jié)構(gòu)納米材料:

1)多功能性

不同客體插入納米LDHS層間后，可組裝得到具有不同應(yīng)用性能的納米層柱材料，如納米選擇性紅外吸收劑、納米選擇性紫外阻隔劑、納米殺菌防霉劑、納米熱穩(wěn)定劑、環(huán)境友好納米催化劑、安全型納米阻燃劑、緩釋型納米除草劑、紅外和雷達(dá)雙功能納米隱形材料等，可廣泛應(yīng)用于合成材料、建筑材料、石油化工、涂料、農(nóng)藥及軍工等行業(yè)，產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高，應(yīng)用空間極為廣闊。

2)低表面能

層狀納米材料因納米LDHS層狀結(jié)構(gòu)的特殊性，表現(xiàn)出較低的表面能。這一特征使得制備時(shí)無(wú)需采用昂貴的輔助劑(如有機(jī)溶劑、偶聯(lián)劑等)及高能耗的生產(chǎn)裝備(如噴霧干燥等)便可得到具有納米尺寸的層狀材料LDHS，同時(shí)因其較低的表面能，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)易于均勻分散，不易聚集。

3)幾何結(jié)構(gòu)效應(yīng)

LDHS層狀材料主體二維層板結(jié)構(gòu)及納米尺寸，使其在應(yīng)用時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特的性能。因主體層板間的弱相互作用在外力條件下極易被打破，應(yīng)用于涂料時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)異的觸變性能;層狀材料主體層板剝離后，可以納米尺寸均勻分散至合成材料本體，這一特點(diǎn)在薄膜類產(chǎn)品中可得到充分體現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)是使復(fù)合膜的力學(xué)性能大幅度提高，同時(shí)具備對(duì)小分子遷移的阻隔能力(如PVC中的增塑劑、農(nóng)膜中的防霧滴劑等);控制制備條件，可使層狀材料具備規(guī)整的介孔結(jié)構(gòu)(10-50nm)，其在作為催化劑時(shí)，表現(xiàn)出對(duì)反應(yīng)物、中間產(chǎn)物和產(chǎn)物的優(yōu)異擇形性能等等。

4)結(jié)構(gòu)記憶效應(yīng)

納米LDHS旦有獨(dú)特的“結(jié)構(gòu)記憶效應(yīng)”，即經(jīng)一定途徑改變其結(jié)構(gòu)后，在一定條件下其又可逆地恢復(fù)至原有結(jié)構(gòu)。利用這一特點(diǎn)，可在納米LDHS層間插入滿足設(shè)計(jì)要求的害體、進(jìn)而組裝得到所需的功能性層柱納米材料;又可將組裝得到的功能性層柱納米材料置于某種有利于結(jié)構(gòu)恢復(fù)的環(huán)境中，在外界條件的促進(jìn)下，使其定時(shí)、定量釋放出層間客體。如層柱型除草劑，便可在富含水、空氣(主要利用其中的C02)的條件下，按作物生長(zhǎng)要求緩慢釋放除草劑，以避免除草劑流失所產(chǎn)生的污染及藥害。

5)界面效應(yīng)

采用有機(jī)分子對(duì)納米LDHS進(jìn)行插層后，一般有機(jī)分子鏈對(duì)主體層板具有一定程度的纏繞作用，這種作用實(shí)質(zhì)上是對(duì)無(wú)機(jī)層狀材料的有機(jī)化，而有機(jī)化程度可隨插層客體種類及數(shù)量而定。因此，針對(duì)不同的應(yīng)用目標(biāo)，選擇不同的插層客體，可獲得理想的界面效應(yīng)。

納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代，為此，國(guó)家科委、中科院將納米技術(shù)定位為“21世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。