化學(xué)工業(yè)中的納米技術(shù)探索

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納米技術(shù)正全力推動(dòng)著化學(xué)工業(yè)未來(lái)的發(fā)展。隨著一些納米技術(shù)的工業(yè)產(chǎn)品問(wèn)世以及所顯示出的誘人前景，現(xiàn)在“納米技術(shù)”已經(jīng)成為家喻戶曉的名詞。納米技術(shù)能在＜100nm的水平上合成、處理和表征物質(zhì)，這是一個(gè)涉及多門學(xué)科的廣闊領(lǐng)域，它包含有：納米材料(nanomaterials)、納米生物技術(shù)(nanobiotechn010gy)、納米電子學(xué)(nanoelechonics)和納米系統(tǒng)(nanosystem)，如納米電子機(jī)械系統(tǒng)NEMS和分子機(jī)械(m01ecularmachine)等。而納米技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用，主要是新型催化劑、涂料、潤(rùn)滑劑，過(guò)濾技術(shù)以及一些最終產(chǎn)品，諸如納米多孔材料制品和樹狀聚合物制品已成為化學(xué)工業(yè)的創(chuàng)新點(diǎn)。

一、化學(xué)反應(yīng)和催化方面應(yīng)用

化學(xué)工業(yè)及其相關(guān)工業(yè)，特別是一些化學(xué)反應(yīng)起著關(guān)鍵性作用的產(chǎn)業(yè)盛行用納米技術(shù)來(lái)改進(jìn)催化劑性能。納米多孔材料中的沸石在原油煉制中的應(yīng)用已有很長(zhǎng)歷史，納米多孔結(jié)構(gòu)新型催化劑的發(fā)展，為許多化學(xué)合成工藝的創(chuàng)新提供了機(jī)會(huì)，或者使化學(xué)反應(yīng)能在較溫和條件下進(jìn)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(zhuǎn)化為液體燃料，作為柴油代用品，而現(xiàn)用的方法比較昂貴。

納米粒子催化劑的優(yōu)異性能取決于它的容積比表面率很高，同時(shí)，負(fù)載催化劑的基質(zhì)對(duì)催化效率也有很大的影響，如果也由具有納米結(jié)構(gòu)材料組成，就可以進(jìn)一步提高催化劑的效率。如將Si02納米粒子作催化劑的基質(zhì)，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(huì)因SiO2材料本身的脆性而受影響。為了解決此問(wèn)題，可以將SiO2納米粒子通過(guò)聚合而形成交聯(lián)，將交聯(lián)的納米粒子用作催化劑載體。

在能源工業(yè)中，Shenhua集團(tuán)公司、Hydrocarbon技術(shù)公司和美國(guó)能源部在中國(guó)進(jìn)行煤液化項(xiàng)目建設(shè)，采用了納米催化劑，取得了20億美元效益。此工藝可以生產(chǎn)非常清潔的柴油，在中國(guó)許多地方它可與進(jìn)口原油或柴油(以全球平均價(jià)格計(jì))競(jìng)爭(zhēng)。燃料電池也是納米催化劑起重要作用的領(lǐng)域，當(dāng)前工業(yè)樣品應(yīng)用的是鉑催化劑，約2nm寬。

二、過(guò)濾和分離方面應(yīng)用

在過(guò)濾工業(yè)中，納米過(guò)濾(簡(jiǎn)稱納濾，nanofiltration)廣泛應(yīng)用于水和空氣純化以及其它工業(yè)過(guò)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(yīng)用此方法生產(chǎn)純氧可不需要采用深冷工藝，因而可以降低成本。法國(guó)于2000年在GeneraledesEaMx建成世界上第一座用納濾技術(shù)生產(chǎn)飲用水的裝置，所用聚合物膜其孔徑略＜lnm。與傳統(tǒng)凈化工藝相LL，雖然電能消耗較高，但帶來(lái)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(yīng)用前景。美國(guó)PacificNorthwest國(guó)家試驗(yàn)室已經(jīng)創(chuàng)制一類稱之為SAMMS結(jié)構(gòu)，為在介孔載體上自組裝的單層結(jié)構(gòu)，含有規(guī)整的1-50nm的圓柱形孔，孔上用自組裝方法涂上活性基團(tuán)單層，可用于不同領(lǐng)域。已經(jīng)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(jī)化合物。

納米多孔材料的吸收和吸附性能也提供了在環(huán)境治理方面應(yīng)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(guò)濾技術(shù)也取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。例如入rgomide納米材料公司開(kāi)發(fā)的用直徑為2nm纖維制成的高產(chǎn)率系統(tǒng)，可以過(guò)濾病毒、砷和其它污染物。

一些聚合物—無(wú)機(jī)化合物復(fù)合材料也可用作氣體過(guò)濾系統(tǒng)，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(chǎn)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(shù)可應(yīng)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(xué)品方面也具有很大潛力。

三、復(fù)合材料方面應(yīng)用

在復(fù)合材料中使用納米粒子可以提高材料強(qiáng)度，降低材料的重量，提高耐化學(xué)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(dǎo)電性，在光照和其他幅照下改變其反應(yīng)性能等。

以粘土為基礎(chǔ)的納米復(fù)合材料在不久將來(lái)會(huì)有很大的市場(chǎng)。以碳納米管為基礎(chǔ)的新型結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)也為期不遠(yuǎn)，它的主要問(wèn)題是成本較貴，要用好的填料(單壁納米管)。大規(guī)模應(yīng)用較大而不太完善的碳納米纖維可望在2004年實(shí)現(xiàn)，此發(fā)展可能會(huì)給納米粘土復(fù)合材料的應(yīng)用形成沖擊。

一些公司計(jì)劃擴(kuò)產(chǎn)納米粘土也反映出其發(fā)展?jié)摿ΑＨ鏝anocor公司已轉(zhuǎn)產(chǎn)納米粘土，每年2萬(wàn)噸。許多主要聚合物公司也在開(kāi)發(fā)納米復(fù)合材料技術(shù)。RTP公司已將有機(jī)粘土／尼龍納米復(fù)合材料制成薄膜和片材。Triton

System公司應(yīng)用納米二氧化硅與一種聚合物材料制成納米復(fù)合材料，開(kāi)發(fā)成一種涂裝材料。其它HoneyWell，Ube工業(yè)和Unitika等公司已工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)尼龍納米復(fù)合材料用作包裝HBP材料，Nanocor最近與三菱氣體化學(xué)公司聯(lián)合

制造并出售HBP包裝材料。用于食品和飲料行業(yè)。Bayer打算用尼龍6納米復(fù)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(guān)注的另一種納米復(fù)合材料的填料物質(zhì)，是一種較為復(fù)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(chǎn)POSS，并與塑料生產(chǎn)廠商和用戶進(jìn)行合作。

四、涂料方面應(yīng)用

在涂料行業(yè)CTJ。納米粒子已經(jīng)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(bǔ)不足，并且可與納米粒子技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。

以納米粒子為基礎(chǔ)的涂料具有各種優(yōu)異的性能，比如：強(qiáng)度、耐磨耗、透明和導(dǎo)電。拜耳公司與Nanogntc公司合作開(kāi)發(fā)導(dǎo)電和透明的涂層。納米粉體是難以儲(chǔ)運(yùn)的，美國(guó)海洋部門采用微型凝聚(microscalengglomerate)方法，即在應(yīng)用時(shí)用等離子(一種熱的離子化氣體)技術(shù)或熱噴涂技術(shù)，使粉體被融熔，形成涂層。拜耳公司與HansaMetallWerke公司用納米粒子進(jìn)行抗水和抗灰塵涂料開(kāi)發(fā)。據(jù)中國(guó)環(huán)氧樹脂行業(yè)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(shí)自組裝成一種納米結(jié)構(gòu)的表面，呈現(xiàn)出類似荷葉的效應(yīng)，即當(dāng)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(zhǎng)。此種涂料很堅(jiān)硬。但并不發(fā)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(wàn)美元訂貨，主要用于涂裝潛水艇的潛望鏡。應(yīng)用納米粒子技術(shù)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(yè)提供抗劃痕涂料。

用納米粒子強(qiáng)化的涂料還可能在生物醫(yī)用方面應(yīng)用。例如銅的納米粒子可以降低細(xì)胞在表面上生長(zhǎng)，從而解決移植上的一個(gè)主要問(wèn)題。

五、添加劑和樹狀聚臺(tái)物的作用

在復(fù)合材料領(lǐng)域中，納米粘土和POSS已經(jīng)取得進(jìn)展。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，碳納米管可能產(chǎn)生較大影響。但是，各種不同形狀的樹狀分子結(jié)構(gòu)以及它能易于功能化的性能，可以創(chuàng)制特殊結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，使之具有各種性能。早在上世紀(jì)90年代中期，BertMeijer教授就闡明了樹狀聚合物的結(jié)構(gòu)，它是一群小分子，或是小分子的容器。一個(gè)“樹狀聚合物箱”(I)endrimerbox)，如同有一個(gè)硬殼建于軟性樹狀聚合物周圍。如果一個(gè)小分子，如染料分子進(jìn)入樹狀聚合物中，即可被封裝在空穴中。通過(guò)對(duì)其末端基因的化學(xué)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(xué)兼容的物質(zhì)，以改進(jìn)混合性能。在此情況下，樹狀聚合物的作用在于創(chuàng)建了分子微觀環(huán)境，或是在塑料原料中形成“納米觀口袋”(nanoscopicpocket)來(lái)聚集染料分子。作為一種形態(tài)的、結(jié)構(gòu)的或是界面改性劑，樹狀聚合物還可提高材料韌性，而對(duì)其加工性沒(méi)有影響。在材料共混和復(fù)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(jīng)被用作環(huán)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(jiān)韌性。通過(guò)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(jié)構(gòu)上的環(huán)氧基團(tuán)的化學(xué)鍵得到加強(qiáng)。杜邦公司制造和應(yīng)用多支鏈結(jié)構(gòu)物質(zhì)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(jīng)將多支鏈的聚丙烯亞胺(PPl)聚合物工業(yè)化，主要用于廉價(jià)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(chǎn)中也可應(yīng)用。美國(guó)宇航局向DowCorning公司和MatcrialsElectrochemicalResearch公司進(jìn)行項(xiàng)目投資，開(kāi)發(fā)等離子沉積樹狀聚合物涂料和樹狀聚合體富勒烯納米復(fù)合材料，以用作微型和亞微型表面潤(rùn)滑。

六、樹狀聚臺(tái)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(huán)境。改變一種介質(zhì)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(guò)超過(guò)濾進(jìn)行回收和冉用。樹狀包覆催化劑可用此同樣方法從反應(yīng)產(chǎn)物中進(jìn)行分離。回收再用。密西很大學(xué)的生物納米技術(shù)中心計(jì)劃開(kāi)發(fā)樹狀聚合物加強(qiáng)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(jīng)改性的終端基團(tuán)上捕捉小分子。

使其能適用于吸收或吸附生物和化學(xué)污染物。美國(guó)軍事部門對(duì)它的應(yīng)用前景作了好的評(píng)價(jià)。

七、納米保護(hù)(nano-protection)方面應(yīng)用

樹狀聚合物在護(hù)膚膏中作為一種反應(yīng)型的組分是很有效的。此應(yīng)用可以擴(kuò)展到保護(hù)衣服。固定的樹狀聚合物層可以抗洗和耐環(huán)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(jié)構(gòu)，用以在保護(hù)膜中固定活性樹狀聚合物。

近年來(lái)，“一些部門在研究用納米粒子來(lái)監(jiān)測(cè)和防止化學(xué)武器襲擊。Nanospherc公司不久前推出一個(gè)系統(tǒng)，可以用來(lái)監(jiān)測(cè)生物武器，如炭疽菌。該系統(tǒng)采用美國(guó)西北大學(xué)開(kāi)發(fā)的金納米粒子傳感器。Altair納米技術(shù)公司和西密西根大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)用二氧化鈦鈉米粒子為基礎(chǔ)材料的傳感器，可用來(lái)監(jiān)測(cè)生物和化學(xué)武器。

NanosPhere材料公司開(kāi)發(fā)氧化鎂納米粒子用于口罩的過(guò)濾層，因?yàn)樗軞⒋蠹?xì)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(chǎn)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(xì)菌孢子、病毒粒子和霉菌，它的作用是讓表面張力發(fā)生爆炸性釋放，而這種產(chǎn)品對(duì)人體組織不起傷害，現(xiàn)在主要用戶是美國(guó)軍事部門。

八、燃料電池方面應(yīng)用

隨著對(duì)便攜式電子產(chǎn)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(kāi)辟?gòu)V納米粒子的新市場(chǎng)。

AP材料公司與Millennium電池公司合作執(zhí)行美國(guó)軍方一份合問(wèn)。開(kāi)發(fā)納米級(jí)二硼化鈦用于高級(jí)電池組和其它儲(chǔ)能系統(tǒng)。Altar公司最近宣布該公司高級(jí)固體氧化物燃料電池系列示范試驗(yàn)獲得成功，包括聯(lián)結(jié)器、電解質(zhì)、陰極和陽(yáng)極等都是由微米和納米級(jí)材料構(gòu)成。而且，還開(kāi)發(fā)了納米鋰基電池電極材料，其充電和發(fā)電率都比當(dāng)前所用鋰離子電池材料快l倍。

有一些公司計(jì)劃工業(yè)生產(chǎn)甲醇基燃料電池，在2004年前后應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備。在這類電池中，所用催化劑是處在淤漿狀態(tài)的鉑納米粒子。針對(duì)電池應(yīng)用，Brookhaven國(guó)家試驗(yàn)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(yīng)，前者需過(guò)量使反應(yīng)完全。生產(chǎn)的鋰—錫合金中含有剩余氧化鏗。重復(fù)用氫處理最后生成粒徑為20～30nm納米復(fù)合材料，形成穩(wěn)定金屬氫化物的其它元素也可用此法制造納米復(fù)合材料，未來(lái)的應(yīng)用不僅在電池領(lǐng)域，還可以用在催化方面。

納米管和納米角(namohorn)也在進(jìn)行研究，主要是探索其在燃料電池中應(yīng)用，用于儲(chǔ)存氫和烴類。根據(jù)美國(guó)能源部計(jì)劃，氫基燃料電池要在車輛上實(shí)際使用，氫含量(重量比)應(yīng)達(dá)到6.5％，而目前只達(dá)到1.5％。預(yù)測(cè)到2005～2015年，氫基燃料電池可能在車輛上獲得廣泛應(yīng)用。Nanomix公司長(zhǎng)期的燃料電池計(jì)劃是用氫作燃料，使系統(tǒng)擁有5～6kg氫，每輛車價(jià)格能在1000美元以下。另一種儲(chǔ)氫介質(zhì)是BASF公司的“Nanocube”，但此技術(shù)近期尚達(dá)不到放大和降低成本，個(gè)人用電子設(shè)備是其市場(chǎng)開(kāi)發(fā)的第一個(gè)目標(biāo)。

綜上所述，納米技術(shù)將不斷發(fā)生變化，展望前景是光明的。當(dāng)然，納米技術(shù)也與其它技術(shù)一樣，對(duì)環(huán)境和社會(huì)有正反兩方面的影響。提高能源生產(chǎn)和供應(yīng)效率，對(duì)產(chǎn)業(yè)和環(huán)境都是有好處的，例如通過(guò)減輕復(fù)合材料重量，應(yīng)用替代能源(提高太陽(yáng)能和風(fēng)能效率及經(jīng)濟(jì)性)以及擴(kuò)大燃料電池應(yīng)用等，達(dá)到節(jié)省大量能源的效果。其它具有競(jìng)爭(zhēng)力的方面為納米粒子在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用，有效地進(jìn)行藥品施放，但納米粒子對(duì)人類健康的影響尚無(wú)定論。任何一個(gè)新的化合物和產(chǎn)品在批準(zhǔn)應(yīng)用之前都必須進(jìn)行全面鑒定，在工業(yè)化前要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期應(yīng)用研究。當(dāng)前用以評(píng)價(jià)這類產(chǎn)品的通用程序和方法將面臨許多挑戰(zhàn)。