化學工業中的納米技術探索

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納米技術正全力推動著化學工業未來的發展。隨著一些納米技術的工業產品問世以及所顯示出的誘人前景，現在“納米技術”已經成為家喻戶曉的名詞。納米技術能在＜100nm的水平上合成、處理和表征物質，這是一個涉及多門學科的廣闊領域，它包含有：納米材料(nanomaterials)、納米生物技術(nanobiotechn010gy)、納米電子學(nanoelechonics)和納米系統(nanosystem)，如納米電子機械系統NEMS和分子機械(m01ecularmachine)等。而納米技術在化學工業中的應用，主要是新型催化劑、涂料、潤滑劑，過濾技術以及一些最終產品，諸如納米多孔材料制品和樹狀聚合物制品已成為化學工業的創新點。

一、化學反應和催化方面應用

化學工業及其相關工業，特別是一些化學反應起著關鍵性作用的產業盛行用納米技術來改進催化劑性能。納米多孔材料中的沸石在原油煉制中的應用已有很長歷史，納米多孔結構新型催化劑的發展，為許多化學合成工藝的創新提供了機會，或者使化學反應能在較溫和條件下進行，大幅度地降低工藝成本。例如用此類催化劑可以將甲烷有效地轉化為液體燃料，作為柴油代用品，而現用的方法比較昂貴。

納米粒子催化劑的優異性能取決于它的容積比表面率很高，同時，負載催化劑的基質對催化效率也有很大的影響，如果也由具有納米結構材料組成，就可以進一步提高催化劑的效率。如將Si02納米粒子作催化劑的基質，可以提高催化劑性能10倍。在某些情況下，用Si02納米粒子作催化劑載體會因SiO2材料本身的脆性而受影響。為了解決此問題，可以將SiO2納米粒子通過聚合而形成交聯，將交聯的納米粒子用作催化劑載體。

在能源工業中，Shenhua集團公司、Hydrocarbon技術公司和美國能源部在中國進行煤液化項目建設，采用了納米催化劑，取得了20億美元效益。此工藝可以生產非常清潔的柴油，在中國許多地方它可與進口原油或柴油(以全球平均價格計)競爭。燃料電池也是納米催化劑起重要作用的領域，當前工業樣品應用的是鉑催化劑，約2nm寬。

二、過濾和分離方面應用

在過濾工業中，納米過濾(簡稱納濾，nanofiltration)廣泛應用于水和空氣純化以及其它工業過程中，包括藥物和酶的提純，油水分離和廢料清除等。還可以從氮分子中去掉氧(氧與氮分子大小差別僅0.02nm)。應用此方法生產純氧可不需要采用深冷工藝，因而可以降低成本。法國于2000年在GeneraledesEaMx建成世界上第一座用納濾技術生產飲用水的裝置，所用聚合物膜其孔徑略＜lnm。與傳統凈化工藝相LL，雖然電能消耗較高，但帶來一些其它的好處，如不需要用氯。

由于可以精確地控制孔徑，所以具有可觀的近期應用前景。美國PacificNorthwest國家試驗室已經創制一類稱之為SAMMS結構，為在介孔載體上自組裝的單層結構，含有規整的1-50nm的圓柱形孔，孔上用自組裝方法涂上活性基團單層，可用于不同領域。已經利用SAMMS成功地從水溶液和非水溶液中萃取出各種金屬和有機化合物。

納米多孔材料的吸收和吸附性能也提供了在環境治理方面應用的可能性，如去除重金屬(如砷和汞等)。使用其他納米材料的過濾技術也取得了長足進步。例如入rgomide納米材料公司開發的用直徑為2nm纖維制成的高產率系統，可以過濾病毒、砷和其它污染物。

一些聚合物—無機化合物復合材料也可用作氣體過濾系統，而且效率也很高。如有一種用排列成行的碳納米管(nanotLlLe)制成的膜，由于納米管與氣體分子間互不作用，可以高產率地分離出氣體。此種材料可滿足高流速低壓氣體的分離需要。此種膜可以從氣流中去除CO2，或從CO中分離H2。這種技術可應用于新一電廠、煤液化工廠或氣體液化廠。

由精密控制尺寸的納米管組成的膜在分離生物化學品方面也具有很大潛力。

三、復合材料方面應用

在復合材料中使用納米粒子可以提高材料強度，降低材料的重量，提高耐化學品、耐熱和耐磨耗能力，而且還可賦于材料一些新的性能，諸如導電性，在光照和其他幅照下改變其反應性能等。

以粘土為基礎的納米復合材料在不久將來會有很大的市場。以碳納米管為基礎的新型結構復合材料的開發也為期不遠，它的主要問題是成本較貴，要用好的填料(單壁納米管)。大規模應用較大而不太完善的碳納米纖維可望在2004年實現，此發展可能會給納米粘土復合材料的應用形成沖擊。

一些公司計劃擴產納米粘土也反映出其發展潛力。如Nanocor公司已轉產納米粘土，每年2萬噸。許多主要聚合物公司也在開發納米復合材料技術。RTP公司已將有機粘土／尼龍納米復合材料制成薄膜和片材。Triton

System公司應用納米二氧化硅與一種聚合物材料制成納米復合材料，開發成一種涂裝材料。其它HoneyWell，Ube工業和Unitika等公司已工業規模生產尼龍納米復合材料用作包裝HBP材料，Nanocor最近與三菱氣體化學公司聯合

制造并出售HBP包裝材料。用于食品和飲料行業。Bayer打算用尼龍6納米復合材料制造多層包裝膜，此膜的氧穿透率減少l/2，透明度和韌性有提高。近期，人們關注的另一種納米復合材料的填料物質，是一種較為復雜的分子多面齊聚物(polyl、cdral01ig(mericsilsc5quioXanes，POSS)。Hybrid塑料公司稱其可以大量生產POSS，并與塑料生產廠商和用戶進行合作。

四、涂料方面應用

在涂料行業CTJ。納米粒子已經起著很大的作用，但是，類似于能生成抗刮痕和不粘表面的涂層的溶膠—凝膠單層(solgclmonlolaycr)還在研究。用樹狀聚合物可以彌補不足，并且可與納米粒子技術結合應用。

以納米粒子為基礎的涂料具有各種優異的性能，比如：強度、耐磨耗、透明和導電。拜耳公司與Nanogntc公司合作開發導電和透明的涂層。納米粉體是難以儲運的，美國海洋部門采用微型凝聚(microscalengglomerate)方法，即在應用時用等離子(一種熱的離子化氣體)技術或熱噴涂技術，使粉體被融熔，形成涂層。拜耳公司與HansaMetallWerke公司用納米粒子進行抗水和抗灰塵涂料開發。據中國環氧樹脂行業在線記者了解，2002年BASF公司推出一種用納米粒子和聚合物制備的噴涂涂料，在干燥時自組裝成一種納米結構的表面，呈現出類似荷葉的效應，即當水落到表面上，由于與表面的互粘性甚小，可以形成水珠而流去，并把灰塵帶走。

Inframat公司用納米涂料作為船殼防污涂料。以防止海藻、貝類附著生長。此種涂料很堅硬。但并不發脆。該公司的納米氧化鉛-氧化飲基陶瓷涂料已獲得美海軍部門400萬美元訂貨，主要用于涂裝潛水艇的潛望鏡。應用納米粒子技術可以制造氧化鋁納米粒子，用于地磚的抗劃痕涂層。Nanogate公司為西班牙地磚制造商提供納米粒子涂料，使之容易清洗，并還為眼鏡工業提供抗劃痕涂料。

用納米粒子強化的涂料還可能在生物醫用方面應用。例如銅的納米粒子可以降低細胞在表面上生長，從而解決移植上的一個主要問題。

五、添加劑和樹狀聚臺物的作用

在復合材料領域中，納米粘土和POSS已經取得進展。在不遠的將來，碳納米管可能產生較大影響。但是，各種不同形狀的樹狀分子結構以及它能易于功能化的性能，可以創制特殊結構的復合材料，使之具有各種性能。早在上世紀90年代中期，BertMeijer教授就闡明了樹狀聚合物的結構，它是一群小分子，或是小分子的容器。一個“樹狀聚合物箱”(I)endrimerbox)，如同有一個硬殼建于軟性樹狀聚合物周圍。如果一個小分子，如染料分子進入樹狀聚合物中，即可被封裝在空穴中。通過對其末端基因的化學改性，全部或部分烷基化，樹狀聚合物就可以形成與線型聚合物可化學兼容的物質，以改進混合性能。在此情況下，樹狀聚合物的作用在于創建了分子微觀環境，或是在塑料原料中形成“納米觀口袋”(nanoscopicpocket)來聚集染料分子。作為一種形態的、結構的或是界面改性劑，樹狀聚合物還可提高材料韌性，而對其加工性沒有影響。在材料共混和復合中，它們還起著材料組分間的兼容劑和粘接劑的作用，因此可用于工程塑料添加劑。樹狀多支鏈聚合物已經被用作環氧樹脂的增韌劑，加入重量比5％的樹狀聚合物可顯著提高材料的堅韌性。通過可控相分離工藝，可以使樹狀聚合物良好地分散在樹脂中，樹狀聚合物和樹脂作用可以使接枝在樹狀結構上的環氧基團的化學鍵得到加強。杜邦公司制造和應用多支鏈結構物質作為聚合物共混中的添加劑，可以改善聚合物的加工性能。DSM公司已經將多支鏈的聚丙烯亞胺(PPl)聚合物工業化，主要用于廉價塑料和橡膠制造中作為添加劑，降低粘度。在涂料、油墨和粘合劑生產中也可應用。美國宇航局向DowCorning公司和MatcrialsElectrochemicalResearch公司進行項目投資，開發等離子沉積樹狀聚合物涂料和樹狀聚合體富勒烯納米復合材料，以用作微型和亞微型表面潤滑。

六、樹狀聚臺物及去污作用

樹狀聚合物特別適用于去污，它起著清道夫的作用，可以去掉金屬離子，清潔環境。改變一種介質的酸度可以使樹狀聚合物釋放出金屬離子。而且樹狀聚合物可以通過超過濾進行回收和冉用。樹狀包覆催化劑可用此同樣方法從反應產物中進行分離。回收再用。密西很大學的生物納米技術中心計劃開發樹狀聚合物加強超濾方法，作為新的水處理上藝．從水中去掉金屬離子。樹狀聚合物可以在其分子小間或是在它們的經改性的終端基團上捕捉小分子。

使其能適用于吸收或吸附生物和化學污染物。美國軍事部門對它的應用前景作了好的評價。

七、納米保護(nano-protection)方面應用

樹狀聚合物在護膚膏中作為一種反應型的組分是很有效的。此應用可以擴展到保護衣服。固定的樹狀聚合物層可以抗洗和耐環境氣候條件變化。有一種稱之為“類似樹狀聚合物”(Amphilicdondrimcr)，它一半是樹狀聚合物，另一半具有末端結構，用以在保護膜中固定活性樹狀聚合物。

近年來，“一些部門在研究用納米粒子來監測和防止化學武器襲擊。Nanospherc公司不久前推出一個系統，可以用來監測生物武器，如炭疽菌。該系統采用美國西北大學開發的金納米粒子傳感器。Altair納米技術公司和西密西根大學聯合開發用二氧化鈦鈉米粒子為基礎材料的傳感器，可用來監測生物和化學武器。

NanosPhere材料公司開發氧化鎂納米粒子用于口罩的過濾層，因為它能殺大細菌(包括炭疽桿菌)。深圳新華元具納米材料公司和Nucrgst公司生產銀納米粒子用于抗菌服。NanoBio公司推出一種抗菌液，可以破壞細菌孢子、病毒粒子和霉菌，它的作用是讓表面張力發生爆炸性釋放，而這種產品對人體組織不起傷害，現在主要用戶是美國軍事部門。

八、燃料電池方面應用

隨著對便攜式電子產品電能需求不斷增加。要求降低供電元器件的重量和尺寸，由此而開辟廣納米粒子的新市場。

AP材料公司與Millennium電池公司合作執行美國軍方一份合問。開發納米級二硼化鈦用于高級電池組和其它儲能系統。Altar公司最近宣布該公司高級固體氧化物燃料電池系列示范試驗獲得成功，包括聯結器、電解質、陰極和陽極等都是由微米和納米級材料構成。而且，還開發了納米鋰基電池電極材料，其充電和發電率都比當前所用鋰離子電池材料快l倍。

有一些公司計劃工業生產甲醇基燃料電池，在2004年前后應用于便攜式電子設備。在這類電池中，所用催化劑是處在淤漿狀態的鉑納米粒子。針對電池應用，Brookhaven國家試驗室已制成鋰-錫納米晶體合金，用作高性能電極。用氫化鋰與氧化錫反應，前者需過量使反應完全。生產的鋰—錫合金中含有剩余氧化鏗。重復用氫處理最后生成粒徑為20～30nm納米復合材料，形成穩定金屬氫化物的其它元素也可用此法制造納米復合材料，未來的應用不僅在電池領域，還可以用在催化方面。

納米管和納米角(namohorn)也在進行研究，主要是探索其在燃料電池中應用，用于儲存氫和烴類。根據美國能源部計劃，氫基燃料電池要在車輛上實際使用，氫含量(重量比)應達到6.5％，而目前只達到1.5％。預測到2005～2015年，氫基燃料電池可能在車輛上獲得廣泛應用。Nanomix公司長期的燃料電池計劃是用氫作燃料，使系統擁有5～6kg氫，每輛車價格能在1000美元以下。另一種儲氫介質是BASF公司的“Nanocube”，但此技術近期尚達不到放大和降低成本，個人用電子設備是其市場開發的第一個目標。

綜上所述，納米技術將不斷發生變化，展望前景是光明的。當然，納米技術也與其它技術一樣，對環境和社會有正反兩方面的影響。提高能源生產和供應效率，對產業和環境都是有好處的，例如通過減輕復合材料重量，應用替代能源(提高太陽能和風能效率及經濟性)以及擴大燃料電池應用等，達到節省大量能源的效果。其它具有競爭力的方面為納米粒子在醫學上應用，有效地進行藥品施放，但納米粒子對人類健康的影響尚無定論。任何一個新的化合物和產品在批準應用之前都必須進行全面鑒定，在工業化前要經過長期應用研究。當前用以評價這類產品的通用程序和方法將面臨許多挑戰。