【摘要】奈米級多相材料以顯示某些物質介面的某種特殊的物理性質和化學性質見長。奈米級多相材料的開發,在催化、選擇性膜、高效能電極的製造方面出現新的突破,並且在環保、節能、儲能以及化工高效清潔生產方面發揮重要作用。本文從奈米級多相材料中的奈米顆粒的開發與應用、例說奈米級兩相材料的實驗室生產的設想等方面探討奈米級多相材料的功能與價值取向。
【關鍵詞】奈米顆粒;奈米級多相材料;實驗室生產
物質介面的某些物理與化學性質,雖然比較特殊,但奈米級多相材料能夠集特殊性質於一身,發揮出超常的功能。奈米級多相材料的開發,不僅在催化、選擇性膜、高效能電極的製造方面出現新的突破,而且在環保、節能、儲能以及高效清潔生產方面發揮重要作用。因此,從不同角度探討奈米級多相材料開發與應用便成了有志之士的當務之急。
1 奈米級多相材料中奈米粒子的開發與應用
奈米級多相材料的優越性並非鮮為人知,這裡不加贅述。筆者在這裡討論的是,在一種奈米粒子(或者微米粒子)上生成另一種奈米粒子的方法以及它的應用價值。
開發的動因:在實際工作中,筆者接觸到的滲透膜、離子隔膜等,大部分是進口產品。如反滲透膜有90%需要進口,超濾膜和微濾膜大約有50%需要進口,生物和醫用膜、氣體分離膜、特殊分離膜絕大部分需要進口。雖然,對於這方面的品種,如反滲透膜、電池隔膜,我國已經開始實現了規模化生產,但是,在效能上,與國外先進產品相比,仍有較大差距。譬如,反滲透膜的透鹽率。國外同類產品可以小於“2”,而我國往往大於“5”至“10”。顯而易見,國外在這方面的先進性不言而喻。在數量上,鋰電池的隔膜供不應求,依靠大量進口,即便釩電池、超級電容等的隔膜,也是進口為主,我們存在的最大問題是在膜材料的製造方面。因此,開發新的隔膜生產技術迫在眉睫。
應用價值:奈米顆粒的開發具有廣泛的應用價值。主要表現為:其一,加入物質表面,可以起到對應的化學催化、光觸媒、燒結、感測、物質表面改性等作用。譬如,奈米鉑在汽車尾氣催化淨化中能夠起到非常好的效果,一些優良的三元催化器就有奈米鉑的成分,同時也廣泛應用在氫氧燃料電池的低溫催化反應方面;又譬如,目前許多空調的光觸媒含有奈米二氧化鈦;極薄到肉眼看不見的奈米金在玻璃上的塗層可以起到冬暖夏涼的作用。其二,加入物質內部,可以起到對應的`改變物質的物化性質的作用。尤其是金屬和非金屬材料的混合,如奈米級陶瓷粉末和金屬粉末(包括奈米級金屬粉末)的燒結的加工刀具。已經廣泛的應用在實際生產中了。又譬如奈米超硬材料加入到工程塑料中,可以使工程塑料的耐磨性大幅度的提高,可以廣泛應用到國防、航天等領域。其三,單獨使用。如奈米級二氧化鈦用於噴霧殺菌和分解甲醛,奈米銀用於殺菌,奈米藥物用於治療等。
2 奈米級兩相材料的實驗室生產
2.1 實驗室生產的理論依據。
在通常的情況下,隔膜是可以用有機高分子材料製成或者無機材料燒結而成。用纖維狀的材料適當的疊加可以比較容易的製得一定的孔隙的隔膜,但孔隙不規則,在有機高分子材料上形成有一定規格的密集的孔隙,往往要用到成孔劑。這涉及到奈米粒子分散到有機高分子材料中的技術,也涉及到奈米顆粒本身的規格和性質,由於奈米顆粒表面能的關係,若用普通的混煉,效果並不見佳。因此,人們又針對性地研究出一些特殊的化學與物理的方法,使得奈米顆粒可以均勻的分散。一般,可以有兩種方法,一種是在有機高分子的某個基團上連線一個特定的小基團,然後使材料在比較粘稠的情況下把這個特定的小基團置換和還原出來,然後形成分散的奈米顆粒。另一種方法,可以在奈米顆粒的外層覆蓋一層包裹劑,然後在這層包裹劑上進行化學修飾,使其化學性質類似相應的高分子材料的性質。以上這兩種方法的材料要成為隔膜,還必須要制膜。一般在成膜後,以化學方法將成孔劑去除,接下來,有的還需要對膜和孔隙進行一定的物理或者化學的修飾,從而,形成特定離子的通過或遏制的功能。這樣形成的隔膜,孔隙可以嚴格控制在奈米級別的統一基準上,可以製得高質量的特殊隔膜。必須補充一點,因為有機隔膜相當薄,達到微米甚至奈米級,所以,它需附著於支撐物或者支撐膜上。
由於膜孔處是離子和分子的通道,改變膜孔處的物質,將對通道的選擇性作用產生影響。筆者在此提出一種設想,即生產某種奈米級的兩相材料,將這種物質作為成孔劑,可以用化學法除掉一相,形成通道,而另外一相則留在空隙中。留下的一相,除了可以單獨起作用外,還可以對金屬進行輻射產生熱量,起到對已經形成的空隙進行熱修飾的作用,從而完成和支撐物連線或者燒結的的過程,達到電導通的目的;除此,還可以對其進行化學修飾,並在空隙中形成其他奈米級的物質。奈米兩相材料加入其他物質的表面或者內部,將會產生某種特殊的效果。筆者的這種方法,可以用來製造微感測器、超級電容隔膜、常規電池的特殊隔膜、滲透膜、催化劑等。
2.2 例說奈米級兩相材料的實驗室生產的設想。
操作如下:
常溫,取氫氧化鈣飽和溶液若干,用兩倍蒸餾水稀釋,常規過濾,取1400ml倒入200ml的燒杯內,以每分鐘200轉攪動,通入二氧化碳,形成奈米級碳酸鈣,繼續反應,至PH值下降為“9”結束,加熱至85℃,繼續攪攔,加入10%的葡萄糖溶液30ml,此混合液為A。在500ml的燒杯內加入1%的硝酸銀溶液150ml,滴入20%氨水,直至形成 銀氨溶液為止,再滴入2%的氨水2ml,將此溶液加熱到85℃,此溶液為B。將A容器的混合液移去200ml,保溫在85℃~90℃之間,在繼續攪攔中將B溶液加入至A容器中,形成紅黑色的懸濁液,其中的固相具有奈米級的碳酸鈣——奈米銀兩相物質,即在奈米碳酸鈣上沉積了奈米銀,過濾,洗滌,可得到奈米級兩相物質、奈米級碳酸鈣或者奈米銀的混合物。在形成兩相物質的液體中,可以加入分散劑,譬如:聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮等。奈米級的碳酸鈣——奈米銀兩相物質,可以作為成孔劑,當用一定的酸將碳酸鈣溶解後可以形成奈米級的空隙,剩下的奈米銀可以在100℃至150℃下和支撐物燒結實現電導通,因此在通道上可以加速對正負離子進行選擇性通過。奈米級銀和其他奈米級物質形成的多相奈米顆粒,可以實現150℃以下的燒結(其中的奈米銀燒結),並實現奈米級電導通,這是實現奈米級感測器的關鍵。根據隔膜的需要,也可以把多相物作成微米級的,以適應較厚的隔膜以及大離子通過。多相物不限於無機物和金屬。因此,可以開發不同的奈米級多相物,並且利用它去試製某些特殊的產品。
在水溶液中進行奈米級多相物的實驗室生產的設想,源於奈米級多相材料生產的科學理論和對實際應用的現實分析。如果能對我國目前“隔膜”生產、奈米級感測器生產、化學催化劑材料的生產起到一定的促進作用,那麼,這是筆者最大的願望。