纳米科学与地学

当固体颗粒粒径处在0.1～100nm(纳米)范围时,它具有全新的固态结构,呈现出量子尺寸效应和新的物理特性,这表明它既不同于原子和分子,又不同于块状晶体和非晶态玻璃。这是人类最近十年才认识到的物质世界,它对未来科技的发展将产生深远影响。在天体演化和地质过程中生成的任何一种矿物都经过纳米阶段,其中一些矿物一直停留在纳米阶段。现有资料证实卡林型(超微细粒)金矿中的金就是纳米金矿物。因纳米矿物太小,过去对这一部分几乎没进行过工作,现在条件已经成熟,应对纳米矿物进行研究。由于纳米矿物的新特性和分布广泛,故有必要从纳米科学的角度对某些地质过程,成岩成矿规律重新进行研究,以期取得认识上的新突破。     

纳米材料的表面修饰和表征技术

介绍了纳米粒子的表面改性及表面修饰的目的和方法,并对纳米微粒表面改性的各种方法原理及其特点进行了归纳;对纳米材料的常用分析和表征技术做了概括,主要从纳米颗粒的粒度测量、纳米微粒的表面分析、成分分析等方面进行了简要阐述;对纳米材料的表面修饰和表征技术的发展进行了展望。     

不同粒径PMMA粉尘爆炸特性研究

采用20L球形爆炸测试装置,对比研究了30μm、800 nm、100 nm的微纳米PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)粉尘的爆炸特性,得出纳米粉尘相比微米粉尘具有爆炸升压速率大、爆炸持续时间短的特性;在密闭容器内,100 nm和800 nm粉尘颗粒的最佳爆炸浓度为250 g/m~3,最大爆炸压力P_(max)分别0.821 MPa和0.865 MPa,爆炸指数K_(st)分别为27.3 MPa·m/s和25.8 MPa·m/s;30μm粉尘颗粒最佳爆炸浓度为750 g/m~3,最大爆炸压力0.708 MPa,爆炸指数K_(st)为10 MPa·m/s~1,总体上纳米粉尘的爆炸危害远大于微米粉尘,但由于粒径减小团聚效果增大,100 nm粉尘只在低浓度下(250 g/m~3)的爆炸威力高于800 nm粒径,当浓度增大,团聚严重,其爆炸威力却低于800 nm粒径,所以对有机纳米粉尘并非粒径越小,爆炸威力越大,而更应关注纳米粉尘在低浓度下的爆炸危害,研究结论可为加工、储存有机纳米材料的安全防护与安全设计提供指导。     

浅谈纳米材料及其在分析测试中的应用

一.纳米材料的特点与性质 纳米材料是粒径在100nm以下的超微粉末,因其产生小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应]、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的一些物理与化学性能.随着粒径的减小,纳米材料的表面原子数、表面积、表面能和表面结合能迅速增大.     

反应气氛对绿色合成纳米铁的组分及其活性的影响

成本低廉和无二次污染的"绿色"合成纳米材料是发展原位纳米环境修复技术的前沿研究课题之一.本文以绿茶提取液为还原剂和稳定剂进行"绿色"合成纳米铁,探讨在不同的气氛下"绿色"合成的纳米铁颗粒的主要成分,以期为调控合成纳米铁系材料提供基础研究.首先,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、X射线光电子能谱分析(XPS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)等表征手段对不同反应气氛下合成的纳米铁颗粒的表面微观形貌、尺寸和价态结构进行分析.结果发现,在通入N2情况下,合成的纳米铁颗粒粒径为(84.7±11.5)nm,其主要成分以纳米零价铁为主;在通入空气情况下,合成的纳米铁粒径为(117.8±26.2)nm,其主要成分是纳米零价铁、氧化铁和四氧化三铁的混合物;通入O2时,合成的纳米铁粒径为(141.2±26.3)nm,其主要成分以四氧化三铁为主.其次,评价在不同气氛条件下合成纳米铁颗粒对去除亚甲基蓝(MB)的反应活性.结果表明,在反应温度313 K下降解初始浓度为50 mg·L-1的MB溶液,反应5 min时已达到平衡,通入N2合成的纳米铁降解MB,去除率高达98.7%,而通入O2合成的纳米铁反应效率低,对MB的去除率仅为65.3%.最后,从以上发现提出不同气氛下可以调控"绿色"合成的铁系纳米材料成分,从而导致不同的纳米修复环境中污染物的能力.     

不同pH条件下赤铁矿纳米粒子的聚集和再分散行为研究

纳米粒子的聚集和再分散行为是影响纳米粒子在环境中归趋的重要因素.选取赤铁矿纳米粒子作为研究对象,用Zeta电位和粒径测定仪系统研究其在不同pH条件下的聚集和再分散过程.结果表明,当pH在7.0～8.7之间时,赤铁矿纳米粒子发生较快的聚集(如当pH为8.2时平均粒径在400s内由31nm增加到1400nm).当pH≤6.3时,赤铁矿纳米粒子几乎不发生聚集.不经老化聚集的赤铁矿纳米粒子均能发生再分散,但是再分散过程并不完全可逆,而是呈现一定的非线性.老化使得更多的赤铁矿纳米粒子发生不可逆的聚集,在等电点处老化后的样品不发生再分散.当pH为7.0和8.9时,老化的样品再分散后的平均粒径(约500nm)大于不老化的样品(约250nm).纳米粒子聚集-再分散过程的非线性对预测其在环境中的存在状态和生态效应带来了大的困难.     

废弃电容器油中多氯联苯的亚临界水还原脱氯

电容器油中的多氯联苯(PCBs)含有从二氯到五氯同族元素的多种同系物,对环境和人类健康具有潜在风险。通过化学还原合成纳米级零价铁(n-ZVI)粒子,并将其应用于在亚临界水中对多氯联苯的脱氯。合成的纳米铁颗粒的粒径在20~100 nm之间,比表面积34.1 m2/g。在330℃的亚临界水中处理1 h,纳米铁颗粒脱氯率超过40%,而铁粉脱氯率只有不到10%。纳米铁颗粒脱氯产物主要是苯基和低氯代联苯,而铁粉脱氯产物中仅能检测到少量的低氯代联苯。因此,在亚临界水通过离解提供氢源的条件下,纳米铁具有较铁粉更好的脱氯效果。     

SHMP分散配制用于环境风险模拟研究的纳米ZnO颗粒溶胶

选择SHMP(六偏磷酸钠)作分散剂,研究超声时间与静置时间对商购纳米ZnO的优化分散效果,以配制出用于环境风险模拟研究中的分散粒径小、效果稳定且浓度较高的纳米ZnO颗粒溶胶. 结果表明,相同条件下加分散剂的体系分散效果好于不加分散剂体系. 最佳优化分散方法:在100 mL超纯水中先加入45 mg SHMP作分散剂,再加入0.5 g的商购纳米ZnO,超声60 min后静置6 d,最终得到的颗粒溶胶平均粒径为(176.5±15)nm (纳米粒度-Zeta电位仪),TEM表征粒径为60～90 nm,Zeta电位为(-64.7±5.64)mV,实测分散浓度为(95.87±4.37)mg/L,其稳定性基本可以维持5 d.      

微/纳米颗粒表面能测定方法适用性研究

采用静态液滴法、柱毛细法、板毛细法3种方法,分别测定了水、正己烷、甲酰胺、二碘甲烷4种液体与TiO_2(40 nm)、TiO_2(100 nm)、Al_2O_3(200 nm)、高岭土(200~400nm)、Fe_2O_3(400~600 nm)、SiO_2(20μm)6种粒径微/纳米颗粒之间的接触角,确定了适用于不同颗粒粒径的接触角测定方法.在此基础之上,利用Young-Dupré方程计算了各微/纳米颗粒的表面能及各分项.结果表明:粒径较小的颗粒(如200 nm)接触角的测定适合使用静态液滴法,而粒径较大的颗粒(如600 nm)接触角的测定适合使用柱毛细法.粒径大小适中时(如200~600 nm),静态液滴法和柱毛细法都适用,测定结果差别普遍较小(≤11°),但二碘甲烷与Fe_2O_3(400~600 nm)之间的接触角利用不同方法测定结果相差可达14°.静态液滴法操作方便,但由于粗糙度的影响需要对接触角测定值进行修正.板毛细法测定接触角时,液体容易挥发,不易得到准确测量结果,不推荐使用.对全部6种测定的微/纳米颗粒,表面能的计算结果相差不大.表面能的3个分项中,范德华分量(γLW)与路易斯碱分量(γ-)的贡献最大,路易斯酸分量(γ+)的贡献很小,主要是因为在微/纳米颗粒-液体界面中,电子受体的反应活性较低.     

利用钛白副产物绿矾制备纳米α-FeOOH的研究

以硫酸法钛白副产物绿矾为原料，制备纳米α-FeOOH.研究净化过程中水解温度、水解时间、还原剂等对绿矾净化效果的影响；采用酸法制备纳米α-FeOOH,所得粒子用DTA、TEM和XRD等手段进行表征，结果表明粒子为α-FeOOH,颗粒长约80 nm、宽约20nm.     

纳米硒化银的生物合成及其对染料的吸附去除

利用菌株Pantoea sp.IMH实现了硒化银纳米颗粒的生物合成,同时,结合高分辨透射电镜(HRTEM)、能谱成像(EDX-mapping)、X射线粉末衍射(XRD)等多种表征手段对硒化银纳米颗粒进行了表征分析.结果表明,所合成的硒化银纳米颗粒的粒径为10~20 nm,其纳米颗粒的晶面间距为0.225 nm,对应于Ag2Se的(031)晶面.所合成的纳米颗粒的衍射环对应的标准Ag2Se晶面为(013)、(031)和(113)面.XRD结果表明,纳米颗粒的晶面为(111)、(112)和(004)晶面,说明菌株IMH能够合成纳米硒化银晶体.通过以不同电性的染料分子亚甲基蓝(阳性)、日落黄(阴性)、靛蓝(中性)作为目标分子进行吸附去除应用探索,发现硒化银纳米颗粒对阳性和中性染料分子有良好的吸附去除效果.这是由于硒化银纳米颗粒表面带有负电荷(Zeta电位分别为-11.8 m V(p H=5)、-13.0 m V(p H=7)、-13.0 m V(p H=9)).本研究为硒化银纳米颗粒的生物合成提供了新思路,拓展了硒化银纳米颗粒的合成方法.     

羧甲基纤维素包覆纳米铁的制备及其分散性研究

纳米铁以其较高的活性和较小的尺寸适用于地下水氯代烃污染的原位修复。然而,为达到原位修复的目的,纳米铁必须在水中保持良好的分散性。研究以羧甲基纤维素为分散剂采用液相还原法制备纳米铁来改善其分散性。透射电镜观察得到羧甲基纤维素包覆纳米铁颗粒呈离散状态,且羧甲基纤维素含量为64.2wt%的纳米铁粒径为20nm左右;而未包覆纳米铁颗粒有明显的棱角且粒径为50～100nm。傅立叶红外光谱测试表明羧甲基纤维素通过其分子中羧基的单齿配位作用结合在纳米铁表面。沉降曲线表明,在1mmol/LNaHCO3水溶液中羧甲基纤维素包覆纳米铁的沉降曲线是斜率为-10-4～-10-5s-1的直线,其分散性比未包覆纳米铁颗粒有较大改善。     

SiO2纳米颗粒对小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长活性的影响

从Si02纳米颗粒对小球藻(Chlorella pyrenoidosa)生长活性的影响来探讨纳米材料的生物安全性问题.结果表明Si02纳米颗粒降低了小球藻的生物量和蛋白含量,并可以附着在细胞表面和进入细胞内部,造成了细胞的形变和结构损伤,从而抑制了小球藻的正常生长活性.Si02纳米颗粒对小球藻具有一定的毒性效应.     

纳米吸湿性串联差分迁移率分析仪的建立与性能评估

对新生态细粒子(粒径≤30 nm)的吸湿性测量是了解其物化特性,进而深入认识其生成机制及其环境与气候效应的重要手段之一.然而,目前无论是实验室研究还是外场观测都缺乏相应的仪器设备.本文基于商用纳米差分迁移率分析仪(Nano-DMA),设计搭建了一套纳米吸湿性串联差分迁移率分析仪(Nano-HTDMA),开展了系列性能测试,并结合理论模型对该系统进行了评估.对于粒径小于30 nm的纳米气溶胶颗粒的初步测试表明,该装置在室温条件下,加湿范围在相对湿度(RH)20%～90%之间可控,波动范围为±0.5%;并测量了(20±2) nm聚苯乙烯乳胶(PSL)小球在85%相对湿度条件下的吸湿增长因子(g),获得该系统的校准因子为0.007.同时,针对20 nm的硫酸铵和氯化钠气溶胶粒子的吸湿增长进行了测量,与引入形状因子χ后的理论模型进行了分析与对比;并针对不同粒径(15、20、30 nm)的硫酸铵、氯化钠的吸湿增长开展了研究,讨论了粒径对纳米颗粒物g因子、潮解点(DRH)的影响.系列测试结果都表明,不同条件下的实验研究结果与理论模型值都呈现出较好的一致性,证明了该系统的可靠性、稳定性与适用性,有望用于新生态气溶胶粒子的实验室与场地物化特性研究.     

包覆型纳米铁的制备及其去除三氯乙烯的研究

采用微乳聚合法成功的用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)包覆了纳米铁粒子.透射电镜、红外光谱和热重分析证明,PMMA包覆层存在于铁表面,包覆型纳米铁在空气中的稳定性明显提高.批次实验结果表明,该纳米材料能有效降解环境污染物三氯乙烯(TCE),包覆型纳米铁对TCE的还原反应符合准一级反应动力学.     

4种纳米氧化铁对大型蚤的急性毒性

为了评价纳米氧化铁材料的水生态安全性,参照国家化学品生态毒性测试标准方法(GB/T13266-91),以大型蚤(Daphniamagna)为受试生物,研究了4种纳米氧化铁水悬浮液(nα-FeOOH:针状,15 nm;nFe3O4:球形,9 nm;nα-Fe2O3:近球形和纺锤形,40 nm;nγ-Fe2O3:针形和近球形,22 nm)对水生甲壳类动物大型蚤的毒性效应。结果显示,4种纳米氧化铁水悬浮液对大型蚤活动抑制的48 h EC50值分别为:0.267、0.097、3.717 mg/L,>100.0 mg/L。据此可得到4种氧化铁纳米材料的毒性大小顺序为:nFe3O4>nα-FeOOH>nα-Fe2O3>nγ-Fe2O3。通过对4种纳米氧化铁水生态安全性的初步评价,表明人工纳米材料的生态毒性和环境效应不容忽视,应重视并深入研究其制毒作用机制。     

我国纳米科技研究应用现状及发展趋势分析

综合介绍了国内纳米材料及其技术在诸多领域的开发应用现状，并对纳米科技未来的发展趋势和市场前景进行了预测和展望。     

稳定剂在提高纳米材料及其复合材料环境修复性能中的应用综述

与传统的环境修复技术相比,表面效应、体积效应、量子尺寸和宏观量子隧道效应赋予了纳米材料巨大的比表面积、超强的吸附、催化和螯合能力,使得纳米材料不仅克服了传统修复技术的缺点,还表现出极高的修复效率,已被广泛应用于环境污染修复中,如纳米零价铁(nZVI)、纳米TiO2、纳米氧化铁、纳米硫化镍、纳米硫化铁以及碳纳米管等.但纳...     

Cupriavidus metallidurans SHE好氧还原Se(Ⅳ)合成硒纳米颗粒的特性研究

利用贪铜杆菌(Cupriavidu smetallidurans)SHE在好氧条件下还原Se(Ⅳ)生成硒纳米颗粒,考察不同条件对还原过程的影响,并对还原产物进行表征.结果显示,菌株SHE还原Se(Ⅳ)的最适条件为pH=8、温度30℃、底物浓度1.0 mmol·L-1,在此条件下Se(Ⅳ)的还原率最高,可达100%.通过紫外光谱扫描、微观形貌分析、粒度分析及X射线衍射分析表明,合成的硒纳米颗粒为六方晶型,粒径为(130.2±27.0)nm.研究结果表明,菌株SHE可有效的还原Se(Ⅳ)生成硒纳米颗粒,为微生物合成纳米硒的潜在应用提供参考.     

两种粒径氧化镍纳米颗粒对小球藻(Chlorella vulgaris)的生物毒性

采用藻类生物毒性测试方法(OECD201)研究了两种粒径氧化镍(NiO)纳米颗粒对小球藻(Chlorella vulgaris)的生物毒性.发现纳米颗粒的毒性与其尺度有关,7 nm NiO的毒性大于20 nm NiO,二者72 h EC50分别为18.01和74.64mgNiO/L.利用扫描电子显微镜(SEM)观察了对...