【正文】 能力稱為隧道效應。四、納米材料的應用在催化方面的應用催化劑在許多化學化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。納米鉑或鈕催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。在涂料方面的應用納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的非凡性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。納米粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。納米生物學用來研究在納米尺度上的生物過程，從而根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程。這在生化技術(shù)、酶工程中大有用處。五、納米材料的前景21世紀將是納米技術(shù)的時代，納米科學是一門將基礎(chǔ)科學和應用科學集于一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。納米科學技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。通過納米材料科學技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀經(jīng)濟新增長點的基礎(chǔ)。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應用。關(guān)鍵詞: 二氧化鈦, 納米管, 制備, 反應機理, 二級結(jié)構(gòu)0 引言TiO2俗稱鈦白粉，無毒、無味、無刺激性、熱穩(wěn)定性好，：板鈦礦、銳鈦礦和金紅石型。自從1991年Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管以來，已經(jīng)用碳納米管模板合成出各種不同的氧化物納米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化鈦由于其化學惰性，良好的生物兼容性，較強的氧化能力，以及抗化學腐蝕和光腐蝕的能力，價格低廉，在能量轉(zhuǎn)換﹑廢水處理﹑環(huán)境凈化﹑傳感器﹑涂料﹑化妝品﹑催化劑﹑填充劑等諸多領(lǐng)域引起了人們極大的關(guān)注。本文對二氧化鈦納米管的制備，形成機理的最新進展進行綜述，并對今后的發(fā)展方向予以展望。由于反應溫度高。氣相法可以合成各種形貌的TiO2薄膜或粉體：納米棒、納米管、納米帶等。采用SPD法合成了TiO2納米粉體和薄膜。 液相法目前制備TiO2納米材料應用最廣泛的方法是各種前驅(qū)體的液相合成法。但是產(chǎn)品粒子的均勻性差。Deki等用(NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液為起始溶液，(SO4)2的水溶液制備了不同形貌的TiO2納米材料。 微乳液法微乳液法制備納米TiO2是近年來才發(fā)展起來的一種方法。該法的制備原理是在表面活性劑作用下使兩種互不相溶的溶劑形成一個均勻的乳液。賀進明等以TiCl4為原料、在十六烷基三甲基溴化銨、正己醇、水組成的微乳液體系中，在較低溫度下，制備了球形、花狀、捆綁絲和星形的金紅石型TiO2納米顆粒。因此，此法的關(guān)鍵在于制備穩(wěn)定的微乳液。一般認為，銳鈦礦或者金紅石相以及無定形二氧化鈦在堿性條件下轉(zhuǎn)換為納米管都要經(jīng)過單層的納米片的卷曲，類似于多層碳納米管形成的機理，即從1D到2D，再到 3D的組合過程。在堿性條件下，各種鈦酸鹽可以形成層狀的結(jié)構(gòu)，再通過折疊或卷曲形成納米管，但折疊或卷曲的順序尚不確定。但實際上，（c）種形狀在合成時很難出現(xiàn)。梁建等則認為鈦納米管的生長機理符合321D的生長模型，在水熱合成的過程中，在高壓高溫和強堿作用下，二氧化鈦塊體沿著(110)晶面被剝落成碎片，在片的兩面有不飽和懸掛鍵，隨著反應的進行，不飽和懸掛鍵增多，使薄片的表面活性增強，開始卷曲成管狀，以減少體系的能量，這一點從反應中間產(chǎn)物中觀察到大量的片狀及卷曲態(tài)得的到證明。Dimitry 。同時也可以解釋反應溫度增加有利于納米管的平均管徑增大。因此研究溫度對其熱穩(wěn)定性的影響頗有必要。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙燒存在著兩次比表面積的突降，用化學法合成的納米管在400 ℃時，比表面積降到很小，管的結(jié)構(gòu)嚴重被破壞。這可能是因為化學法制備的納米管為多層，層與層之間不能形成三維空間的點陣結(jié)構(gòu)?？梢姾铣煞椒ǖ牟煌趸伡{米管的熱穩(wěn)定性也有很大的差異。但XRD的 3結(jié)果表明，TiO2B的結(jié)構(gòu)中仍還有痕量的銳鈦礦相。王保玉等研究發(fā)現(xiàn)，氧化鈦納米管為多層管，每個單層相當于 一個氧化鈦分子的厚度，層與層之間不在以化學鍵存在，Ti在納米管中的配位和八面體結(jié)構(gòu)未達到飽和，拉曼光譜表明，TiO2納米管以無定型的形態(tài)存在。可見納米管的晶型，隨著水熱處理的溫度和時間變化而有所不同。Dimitry ，納米管的二級結(jié)構(gòu)取決于前驅(qū)體二氧化鈦的量和所用NaOH的體積，其比例越小，生成的氧化鈦納米管越傾向聚集成球狀。TiO2納米材料的改性TiO2納米材料的很多應用都是和其光學性質(zhì)緊密相連的。只能吸收紫外光，而紫外光在太陽光中只占很小的一部分( 貴金屬沉積半導體表面貴金屬(包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag)沉積可以通過浸漬還原、,光激發(fā)電子能夠從導帶轉(zhuǎn)移到沉積在TiO2表面的貴金屬顆粒上,、Au和Pt沉積TiO2做光催化劑時對酸性綠16的光致氧化作用,發(fā)現(xiàn)與未沉積貴金屬的TiO2相比, 離子摻雜TiO2半導體離子摻雜技術(shù)是用高溫焙燒或輔助沉積等手段，通過反應將金屬離子轉(zhuǎn)入TiO2晶格結(jié)構(gòu)之中。影響了電子和空穴的復合或改變了半導體的激發(fā)波長，從而改變TiO2的光活性。Choi等系統(tǒng)地研究了21種金屬離子摻雜對TiO2光催化活性的影響，發(fā)現(xiàn)Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh離子摻雜可以把TiO2的光響應拓寬到可見光范圍，其中Fe離子摻雜效果最好，而摻雜Co和Al會降低其光催化活性。Xu等比較了不同稀有金屬(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)離子摻雜對TiO2光催化活性的影響。在TiO2晶體中摻雜陰離子(N、F、C、S等)可以將光響應移動到可見光范圍。Asahi等測定了取代銳鈦礦TiO2中O的C、N、F、P和S的摻雜比例。盡管S摻雜同樣能使TiO2帶隙變窄，但是由于S離子半徑太大很難進入TiO2晶格。Ihara等將硫酸鈦和氨水的水解產(chǎn)物在400℃的干燥空氣中煅燒，得到了可見光激發(fā)的N摻雜TiO2光催化劑。有機染料通常是具有低激發(fā)態(tài)的過渡金屬化合物，像吡啶化合物、苯二甲藍和金屬卟啉等。 半導體復合半導體復合是提高TiO2光效率的有效手段。Sukharev等將禁帶寬度與TiO2相近的半導體ZnO與TiO2復合，因復合半導體的能帶重疊使光譜響應得到發(fā)展。GurunathanK等將CdS()和SnO2()復合在可見光下制氫得到了更高的產(chǎn)氫率。隨著TiO2納米材料的合成和改性方面的突破，其性能得到不斷地改善，新應用也不斷的被發(fā)現(xiàn)。因此如何通過對納米TiO2的改性，有效地利用太陽光中的可見光部分，降低TiO2光生電子空穴對的復合機率，提高其量子效率是今后的研究重點。納米材料的應用前景十分廣闊，它的發(fā)展給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來了新的機遇。關(guān)鍵詞：納米材料；分類；特性；制備；應用 前言 納米及納米材料納米，實際上是一個長度計量單位，1 nm = 109 m，即一米的十億分之一。當物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1～100nm這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，呈現(xiàn)出特殊性能。納米材料的科學價值和應用前景已逐步被人們所認識，納米科學與技術(shù)被認為是 21 世紀的三大科技之一。2005納米科技研發(fā)預算已達到10億美元，而且在美國該預算的優(yōu)先選擇領(lǐng)域中，納米材料名列第二位。世界發(fā)達國家均對納米產(chǎn)業(yè)進行戰(zhàn)略性布局，并紛紛投入巨資。之后在基礎(chǔ)研究和應用研究方面，我國在納米技術(shù)研究方面也投入了大量的人力和物力。在國家各項科技計劃的支持下，我國納米材料及納米科學技術(shù)也取得了比較突出的成果。廣義而言，納米材料是指在3維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。按化學組成可分為：納米金屬，納米晶體，納米陶瓷，納米玻璃，納米高分子和納米復合材料。按應用可分為：納米電子材料，納米光電子材料，納米生物醫(yī)用材料，納米敏感材料，納米儲能材料等。納米材料的特性主要取決于制備方法。這主要是因為處于表面的原子數(shù)較多，表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運和構(gòu)型變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)像和電子能譜的變化。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應。超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性，介電性，能聲學特性以及化學性能等方面。量子尺寸效應產(chǎn)生最直接的影響就是納米晶體吸收光譜的邊界藍移。存在庫侖作用，此電子空穴對類似于大晶體中的激子。 宏觀量子隧道效應隧道效應是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。納米材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)既不同于宏觀物體，也不同于微觀的原子和分子。在納米尺度范圍內(nèi)原子及分子的相互作用，強烈地影響物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。納米材料之所以能具備獨到的特性，是因為組成物質(zhì)中的某一相的某一維的尺度縮小至納米級，物質(zhì)的物理性能將出現(xiàn)根本不是它的組分所能比擬的改變。常見的物理合成方法有噴霧法、噴霧干燥法、噴霧熱解法、冷凍—干燥法、反應性球磨法、氣流粉碎技術(shù)等。化學合成法主要有等離子體制備納米粉末技術(shù)化學氣相沉淀法、共沉淀法、均勻沉淀法、溶劑熱合成法、溶膠—凝膠法、水熱法制備納米粉末技術(shù)、微乳化技術(shù)等合成方法。由于存在于氣相中的粒子成核及生長的空間比較大，因此，該方法制得的粒子分散度較好，同時，又因為反應是在封閉容器中進行，使得化學氣相沉淀法形成的納米粒子具有比較高的純度。為原子提供了短程擴散途徑，使有限固溶體的固溶性增強，燒結(jié)溫度降低，從而其化學活性增大。納米材料的高強度、高擴散性、高塑性、低密度、高電阻、高比熱、強軟磁性等特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特 殊導體、熱交換材料、敏感元件、潤滑劑等領(lǐng)域。納米碳管在電學、力學、熱學等方面具有特殊的性質(zhì)，因此具有很好的應用前景。另外在碳納米管內(nèi)，電子的量子限域所致電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運動，電子是沿著石墨片層的單個平面進行傳導的，其電子傳輸通道隨碳管直徑的增加而增加，因此，納米碳管具有獨特的發(fā)射傳導性質(zhì)。力學性質(zhì)及應用，C—C共價鍵使納米碳管具有很高的強度和剛度。納米碳管在受到壓力影響時能產(chǎn)生流動性導致直徑發(fā)生變化，其螺旋度也會隨之改變，從而影響其電子特征。熱學性質(zhì)及應用，納米碳管的熱傳導率體現(xiàn)的是石墨的內(nèi)平面特性，故而它的熱傳導率非常高僅次于一定形式的摻雜金剛石。納米碳管優(yōu)異的 導熱性能可使其發(fā)展為今后計算機芯片的導熱板，也可用作發(fā)動機、火箭等各種高溫部件的防護材料。另外，納米碳管還具很多其它性能，例如它的儲氫特性，納米碳管表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合，從而達到表觀上對金屬離子或有機物產(chǎn)生吸附 作用。納米碳管還具有吸波特性，用納米碳管做成的物體對微波雷達有好的隱身性能。有人預計納米顆粒催化劑將成為本世紀催化劑的主角。 在電池中的應用納米材料已廣泛應用到化學電源中的活性材料中，并推動著電池科技發(fā)展，納米活性材料所具有的比表面大，鋰離子嵌入脫出深度小，行程短的特性，使電極在大電流下充放電極化程度小，可逆容量高，循環(huán)壽命長；納米材料的高空隙率為有機溶劑分子的遷移提供了自由空間，使有機溶劑具有良好的相容性，同時，也給鋰離子的嵌入脫出提供了大量的空間。由此產(chǎn)生較強大的電化學活性特別是納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學貯能材料和高性能復合材料等方面的研究已取得了重大突破另外，由于納米材料的研究目前大多處于實驗室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運輸過程中的團聚問題，簡化合成方法，降低成本等，依然是以后還需要研究的重要問題。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了納米材料具有一系列的特性（如小尺寸效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等），因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能, 從而使納米材料獲得和正在獲得廣泛的應用。隨著其制備和改性技術(shù)不斷發(fā)展，納米材料將在諸多領(lǐng)域得到日益廣泛的