贤集网10月8日讯：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。

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、纳米材料的结构特点与性质

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150μL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。