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纳米材料在环境保护中的应用 纳米材料 纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料由晶体、准晶、非晶组成，其基本单元或者组成单元可以是原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜，它既包括金属材料，也可包括无机非金属材料和高分子材料。 纳米材料 当固体材料的尺寸进入纳米量级时，其本身和由这些纳米粒子构成的纳米固体将会出现一些基本效应，主要体现在以下四个方面： 表面效应 量子尺寸效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应 纳米材料的基本效应 (1)表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。例如：粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180 m2/g；粒径为2nm时，比表面积为450 m2/g.这样高的比表面积，使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加，表面原子的活性增强，引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。 纳米材料的基本效应 (2)量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到纳米尺寸时，金属材料的费米能级附近的电子能级从连续变为离散的能级的现象和纳米导体中的最高被占据轨道和最低空轨道的能级出现不连续，能隙变宽的现象，统称为量子尺寸效应。纳米微粒的量子尺寸效应导致其磁、光、热、电和超导性等特征与宏观特征存在着明显的不同。例如：Ag微粒在1K时出现量子尺寸效应，由导体变为绝缘体，其临界粒径小于20nm。 纳米材料的基本效应 (3)小尺寸效应 纳米颗粒的粒径减小到某一特定值时，晶体周期性的边界条件被破坏，引起颗粒表面层附近原子密度的减小，表现为材料宏观的物理、化学性质发生了很大的变化，称为小尺寸效应。 从而产生一系列新奇的性质。 纳米材料的基本效应 (3)小尺寸效应 ①特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于l％，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3 等对大气中紫外光很强的吸收性。 ②热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显著降低。当颗粒小于10 nm 量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到2 nm 尺寸时的熔点仅为327℃左右；银常规熔点为670℃，超微银颗粒的熔点可低于100℃。 (3)小尺寸效应 ③特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80A／m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 ④特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍；纳米金属比常态金属硬3～5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。 纳米材料的基本效应 (4)量子隧道效应 电子能量低于势垒高度时，由于其具有波动性而具有穿过势垒的几率，这就是隧道效应。最近人们研究发现微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等宏观物理量也具有隧道效应，称为宏观隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。 环境污染 一 军事设施污染 二 工业生产污染 三 民用污染 半导体光催化氧化 半导体光催化材料： 主要为二氧化钛（TiO2），氧化锌（ZnO），三氧化二铁（Fe2O3），硫化镉（CdS），硫化锌（ZnO）等。 用途： 水和空气的净化，癌细胞失活，臭味控制，氮固化，清除油污等等。 半导体具有特殊的电子结构，这种可由一个满价带和一个空导带来表征，因此容易引发光诱导反应。 半导体光催化氧化 半导体光催化氧化 半导体光催化氧化 以二氧化钛光催化剂为例，可分为7个步骤来完成光催化过程： 1 由光子形成带电体 2 带电体重新结合释放热量 3 发生价带空穴的氧化反应 4 发生导带电子引发的还原反应 5 进一步的热和光催化反应，产生矿物化产