纳米材料的应用研究进展

刁润丽

摘 要： 纳米材料特殊的纳米结构，使它具有了很多优异的性能，扩大了其应用范围。综述了纳米材料在水处理、果蔬保鲜、绿色建筑、农药残留及电化学等领域的广泛应用，对应用中的问题进行了分析，并对纳米材料广阔的发展前景进行了展望。

关键词：纳米材料;应用;研究;进展;

1 前 言

纳米技术是21世纪的三大发明之一，它是主要研究在0.1—100nm结构范围内，用单个的分子、原子来制备产物的技术[1-3]。纳米材料是一类超细材料，具有表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等一些特殊性能。基于此，纳米材料引起了研究者们的广泛关注，而纳米技术的发展又为材料、化学、物理、仿生学及生物等学科提供了新的发展空间[4，5]。

2 納米材料的结构与性质

2.1 纳米材料的结构

纳米材料是处于亚稳态的物质，比表面积大，粒径小，表面原子比例高，具有独特的电子运动状态和表面效应，表现出宏观量子隧道效应和量子尺寸效应，这些结构上的特点使纳米材料具有很多优良的特性[6]。

2.2 纳米材料的性质

1）化学反应性质：纳米材料的粒径为纳米级，性质非常活泼，有很强的化学反应活性。如在空气中纳米级的金属材料可以发生氧化反应，剧烈的伴随有发光燃烧;45 nm的TiN晶粒在空气中受热可燃烧得TiO2晶粒。

2）催化性质：纳米粒子比表面积大、表面原子配位不足等性质增加了表面的活性中心，从而使其具有催化活性。纳米粒子催化剂没有孔隙，可直接加入反应体系，不必外加载体。另外，纳米粒子催化剂的表面比较粗糙，可以扩大反应面积。

3）光催化性质：纳米材料可以吸收光能，使其氧化还原能力增强，从而有利于催化反应。粒径越小，光催化性越强，反应速度越快。

此外，纳米材料还具有比热大、塑性好、硬度高、导电率高和磁化率高等优异的特性。随着研究的进一步深入，相信还会有更多优异的性能呈现出来[7]。

3 纳米材料的应用

3.1水处理

水是生命之源，随着发展，在用水量增加的同时水资源的应用范围也越来越广泛，导致水危机事件多发。因此，急需对污水进行处理，使其资源化，从而提高利用效率。但是目前，传统的处理技术满足不了发展的需求。活性炭一方面对极性小分子的吸附能力较弱，另一方面由于含有较多的微孔，不能吸附大的有机分子。纳米吸附剂由于比表面积大，活性质点和表面原子多，孔径易控，表面性质优异，因此吸附性远高于传统吸附剂[8]。

碳纳米管已作为吸附剂应用于水处理领域，并展示了对有机物优良的吸附效果。碳纳米管比表面积大并且具有憎水性，因此在水相中可以形成疏松多孔的聚集体，加之它与小分子之间具有疏水作用、氢键作用、π-π 作用、静电作用、共价作用等多样作用，因此它对各种尺寸的有机分子吸附能力都很强，使它们之间可以充分相互作用[9]。

3.2果蔬保鲜

果蔬口感好且营养丰富，但是它易腐烂，且地域性和季节性明显，导致贮藏难、运输损失大，因此果蔬保鲜就成了迫切需要解决的问题。目前已进行了很多研究，效果明显。果蔬保鲜通常有化学保鲜、物理保鲜及生物保鲜三种方法，这些方法的不足之处越来越凸显。纳米材料力学性能优异、阻隔性好，将其用到果蔬保鲜中可以弥补常用保鲜方法的不足，加上纳米材料对人体无毒无害，因此是很有潜力的新型保鲜剂。

纳米硅氧化物是白色、无味、无毒的粉末状无机纳米材料，它能够在贮藏过程中使果蔬保持硬度。张洪等[10]对采摘后的桃涂抹壳聚糖-纳米SiOx的复合膜，从而抑制了相关酶（PPO、POD 等）的活性，使桃子的保鲜期得到了延长。吴雪莹等[10]在脐橙上涂抹壳聚糖与纳米SiO2涂膜，使多聚半乳糖醛酸酶（ PG）、果胶甲酯酶（ PEP）和纤维素酶（ cellulase） 的活性受到抑制，原果胶的降解速度受到抑制，从而提高了果实的硬度，延长了贮藏期。纳米SiOx 涂膜也可以延长其它果蔬如圣女果、哈密瓜等的保鲜期。

3.3绿色建筑

绿色建筑指在建筑的生命周期内，为人们提供健康、高效和舒适的空间的同时，最大限度地节约各种资源，与自然和谐共生。绿色建筑技术注重高效、低耗、环保、经济、优化与集成，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段。绿色建筑的内涵最终要借助建筑材料体现出来。纳米材料因优异的物理化学性质成为绿色建筑的首选材料，社会、经济效益显著，应用前景广阔。

纳米材料可以提高混凝土的强度、增加其耐久性，从而改善建筑物的使用寿命。其中的纳米SiO2、CaCO3矿粉主要与水泥浆体中的Ca（OH）2反应，可以改善混凝土的韧性、强度、耐久性和抗渗性能。纳米金属氧化物如TiO2、Fe3O4等可以改善水泥基的力学性能和微观结构，还有电磁屏蔽的作用，增加混凝土的智能性。碳纳米管及纳米纤维加入大电阻的混凝土中，在增加混凝土强度和韧性的同时能减少裂纹，还可以实现自监测与自诊断应力和损伤情况。Yu等[11]在水泥中添加碳纳米管，质量分数分别为0.1%、0.5%，结果显示材料的电容特性和电阻特性增加明显。

3.4农药残留

目前，关于环境和食品方面农残污染的报道非常之多，农药残留是人类健康的一个重大隐患。为改善这一种状况，制定了严格的农残限量标准，还不断开发快速、灵敏和准确的农残快速检测技术。纳米材料具有优异的物理、化学等特性，将其和其他技术结合应用到农药残留物方面，可优化样品的前处理和检测。

纳米四氧化三铁（ Fe3 O4 ）显示超顺磁性，可以吸附富集小分子农药，将其从基质中分离出来。冯钰锜等[12]通过热溶法制得纳米四氧化三铁，从植物油中用液微萃取-磁分离法提取极性有机磷，15 min就完成了整个前处理过程，解吸附150 μL有机溶剂制备得到样品。Li等[12]首先合成（化学共沉淀法）纳米四氧化三铁，粒径为10 ～ 20 nm，然后对蔬菜中101种农药进行萃取，并与不加磁性纳米粒的结果做对比，研究结果证明了磁纳米粒具有优良的吸附纯化性能。

3.5电化学

碳纳米材料由于比表面积大、机械性能和导电性能良好，在电化学领域获得了研究者们的青睐，在理论和实践方面取得了很大的进展。

燃料电池是通过电极反应将化学能转换成电能的装置，由阴、阳两极和电解质构成。燃料电池能量转换效率高而且环保，所以在通信、分立电源及交通等诸多领域获得了广泛的应用。碳纳米材料可以提高燃料电池的稳定性和能量密度，降低成本。Kakati 等[13] 在CNTs 表面分散多孔的SnO2，水热条件下，使得催化剂CNTs/ SnO2大大增加对Pt /Ru 纳米粒子的吸附，使燃料电池的催化性能得到提高。Sebastian等[13]将导电性好且多孔的碳纳米纤维添加到燃料电池中，结果显示了良好的催化性能。

虽然在电化学领域碳纳米材料取得了一定的进展，但目前仅限于实验室阶段，还没有实现大规模的实际应用，因为还有一些问题有待于解决，如碳纳米材料易团聚，生物分子不稳定，过程繁琐，电极稳定性差，实验结果不能重现等。

4结语

纳米材料是一种非常重要的新型材料，应用前景良好，在多个领域引起了广泛的关注。随着研究的日益深入，相信还会有更多方面的发展和应用展现出来。

参考文献

[1] 张婷，白小东，肖丁元，等. 纳米材料在钻井液中的应用研究进展[J]. 钻采工艺，2014，37（2）：89-92.

[2] 李卫红. 纳米技术在石油化工催化剂领域的研究进展[J]. 化工管理，2015，（5）：95.

[3] 鄭恺，张巨擘，远方，等. 纳米催化材料在污染物中的应用[J]. 广东化工，2017，44（20）：111，116.

[4] 杜善义.纳米复合材料研究进展[J]. 上海大学学报（自然科学版），2014，20（1）：1-14.

[5] 姜俊颖，黄在银，米艳，等. 纳米材料热力学的研究现状及展望[J]. 化学进展，2010，22（6）：1058-1067.

[6] 钱伯章. 纳米技术现状及在石化业的应用[J]. 国际化工信息，2004（11）：11-13.

[7] 吴金桥，张宁生. 纳米材料在石油工业中的应用展望[J].河南石油，2003，17（6）：48-52.

[8] 张晓媛，顾平，张光辉.纳米材料在放射性废水处理中的吸附应用[J]. 环境化学，2016，35（10）：2162-2170.

[9] 强璐，石艳玲，徐俊，等. 纳米材料在水处理中的应用研究进展[J]. 环境科学与技术，2014，37（120）：252-256.

[10] 王馨，胡文忠，陈晨，等. 纳米材料在果蔬保鲜中的应用[J]. 食品与发酵工业，2017，43（1）：281-286.

[11] 张瑞锐，郭永聪，罗刚，等.纳米材料在绿色建筑中的应用及其挑战[J]. 硅酸盐通报，2014，33（6）：1408-1412，1417

[12] 豆小文，褚先锋，杨银慧，等. 纳米材料在农药残留分离腹肌和检测中的应用进展[J]. 药物分析杂志，2015，35（9）：1509-1519.

[13] 冯晓苗，李瑞梅，杨晓燕，等. 新型碳纳米材料在电化学中的应用[J]. 化学进展，2012，24（11）：2158-2166.

Research Progress on the Application of Nanomaterials

DIAO Run-li

（Henan Quality Polytechnic， Pingdingshan， Henan 467001）

Abstract： Nanoscale that is typical of nanomaterials makes them possess many excellent properties. So it is being used more and more widely. The application in the fields of water treatment，fruits and vegetables preservation，green building，pesticide residues and electrochemistry were reviewed. The problems in the process of application were analyzed. Finally，the wide application prospect of nanomaterials was forecasted.

Keywords： nanomaterials;application;research;progress;