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纳米材料在制氢中的应用
聂胜
6100509061 管理科学与工程类092班
【摘要】纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
【关键字】纳米材料；纳米技术；纳米材料在制氢中的作用；应用；前景
【正文】0、引言：有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划，国际纳米结构材料会议自1992年以来每两年召开一次，与纳米技术有关的国际期刊也很多。世界各国正在争抢纳米技术领域的制高点，使自己在纳米材料领域处于领先地位。
1、纳米材料
1．1纳米材料的定义
随着纳米材料也来越广泛的应用，纳米材料已经进入人们的生活，纳米材料正在被许多人熟知，很多人都逐渐地知道了纳米材料，了解它是一种高分子材料，然而却很少有人知道纳米材料的定义，对它的本质不了解。
纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
纳米材料的定义是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。1．2纳米材料的分类
（1）按维数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维纳米材料；一维纳米材料；二维纳米材料；三维纳米材料。
（2）按材料物性划分，纳米材料可分为：纳米半导体；纳米磁性材料；纳米非线性光学材料；纳米铁电体；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米超导材料。（3）按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；纳米储能材料。
（4）按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；储能材料。
（5）按化学组分划分，纳米材料可划分为：纳米金属；纳米晶体；纳米陶瓷；纳米玻璃；纳米高分子；纳米复合材料。
2、纳米科技
纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。
纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
3、纳米材料在制氢中的应用
3.1 纳米材料在许多领域正在发挥其特性，例如纳米技术在陶瓷领域方面的应用、纳米技术在微电子学上的应用、纳米技术在生物工程上的应用、纳米技术在光电领域的应用、纳米技术在化工领域的应用、纳米技术在医学上的应用、纳米技术在分子组装方面的应用，由此可见，纳米材料正在各个领域发挥其特性优势，在改变一些产业结构。同样，纳米材料在制氢中也发挥了它的特点，从而改变了一些传统的制氢工艺，使制氢产业得到迅猛的发展。
随着社会的发展，能源消耗越来越多，在不久的将来，我们将面临着严重的能源危机，世界各国都在寻找一种清洁能源，从而来取代现在的能源，并在寻找生产这种能源的最佳方法。氢气被公认为未来理想的能源，因而如何把生产氢能工业化、产量化便成了各国解决能源危机的途径，于是各国在积极寻找制氢的最佳方法。目前的主要一些制氢方法是生物制氢、化学制氢、纳米材料制氢等，其中使用碳纳米材料作催化剂来制氢是目前比较先进和常用的的一种制氢方法。碳纳米材料（包括零维、一维、二维碳纳米材料以及碳纳米孔材料）是一类新型的催化剂或催化剂载体材料，在氧化脱氢、选择加氢、合成氨、氨分解制氢以及燃料电池等多相催化领域具有广阔的应用前景。
3.2 下面举一例进行说明。
半导体光解水制氢是一种新型的具有低成本和环境友好等优点的方法,对未来制氢工业具有重要的意义。半导体TiO_2相对于其它半导体具有稳定、耐腐蚀、环境友好等优点。但以TiO_2为半导体利用太阳能进行光解水制氢时,因TiO_2只能吸收占地表太阳光能量仅4%左右的紫外光,而不能吸收地表太阳光中的主要成分可见光,因此,对太阳能的利用效率非常低。当以自制的纳米TiO_2负载Pt并用酞菁染料敏化得到的产物为可见光催化剂,进行了光催化分解水制氢的研究,并成功实现了可见光分解水制氢。采用溶胶凝胶法(S-G)以钛酸四丁酯作为前驱物,乙醇作为溶剂以及硝酸作为抑制剂制取纳米TiO_2。探讨了钛酸四丁酯的浓度和陈化时间等制备工艺条件对TiO_2粒径的影响。结果表明,在室温环境下,最佳的制备工艺条件为钛酸四丁酯:水:硝酸:乙醇的质量比为8: 25: 3: 44,搅拌时间为5小时,陈化时间为3天,所得到纳米TiO_2溶胶的平均粒径约在10nm以下,粒径分布在5～40nm。对制得的TiO_2粉体进行了X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征。结果表明,TiO_2粉体粒径处在纳米级,为单一的锐钛矿型,其晶胞粒径为9.9 nm。将自制的锐钛矿型TiO_2进行Pt负载得到了Pt/TiO_2,用酞菁铜四磺酸四钠敏化Pt/TiO_2得到光催化剂CuPc(SO_3Na)_4/Pt/TiO_2。对Pt/TiO_2进行XPS表征,结果表明分散于TiO_2表面的Pt晶粒是以Pt0价态存在。对Pt/TiO_2和CuPc(SO_3Na)_4/Pt/TiO_2进行了X射线衍射分析(XRD)和扫描电子显微镜分析(SEM),结果表明,TiO_2经负载Pt、焙烧、染料敏化、烘干等过程晶型无变化;TiO_2经负载Pt、焙烧过程后,晶胞粒径增大,为17.3nm;Pt/TiO_2经染料敏化、烘干过程后,TiO_2的晶胞粒径几乎没变。对TiO_2和CuPc(SO_3Na)_4/Pt/TiO_2粒子进行DRS表征,结果表明TiO_2粒子吸收光的范围在300～400nm,主要在紫外光区,在可见光区几乎没有吸收,而CuPc(SO_3Na)_4/Pt/TiO_2在600～700nm的可见光范围内存在明显的吸收,表明酞菁铜四磺酸四纳敏化能有效将TiO_2的吸收光谱拓展至可见光区。以CuPc(SO_3Na)_4/Pt/TiO_2为光催化剂,在可见光源下进行了光解水制氢反应性能的研究,探讨了光催化剂、Pt负载、染料以及给电子体用量等因素对产氢速率的影响。结果表明,光催化剂中Pt负载质量百分数为0.4%和酞菁铜四磺酸四钠的质量百分数为0.2%,给电子体KI的浓度为0.2 mol/L,光催化剂用量为0.8g/L时,光解水产氢速率最高,为1.4μmol/h。这是酞菁染料敏化纳米TiO_2光解水制氢的研究。
纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性 当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。这也决定的纳米材料具有催化剂的优势和特点。
4、纳米材料的发展前景
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
参考文献
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Nanomaterials in the application of hydrogen
NIE Sheng 6100509061 Management science and engineering 092 Cla
【 Abstract 】 Nanoscience is a goalkeeper of basic science and applied science set in one of the emerging science, mainly including nano-electronics and nano-materials and nano-biology, etc.21 century is the era of nano-technology.Application of nano-materials related to various fields, mechanical, electronic, optical, magnetic, chemical and biological areas has a broad application prospects.The birth of Nano Science and technology, the human society have a profound impact, and potentially solve many of the problems facing humanity, especially energy, human health and the environment protection and other major iues.【 Key Words】 nanomaterials;nanotechnology;nano-materials in the role of hydrogen;application;prospect
