3.2 纳米功能材料的主要性能及应用

纳米功能材料本身的结构和特性决定了其具有许多特殊的性质和广阔的应用前景。纳米功能材料现已在信息产业、生物医药、能源环保、航空航天、军事国防等领域得到了广泛的应用。

1．纳米功能材料催化作用

纳米颗粒的比表面积大、表面活性反应高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在催化方面有着重要的应用。

纳米TiO2可通过光催化降解汽车尾气中的NOx。钙钛矿以及纳米部分层状复合物都表现出较好的光催化作用，也可以作为纳米光催化材料。

纳米粉体如银、氧化铝和氧化铁等已经直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应的效率。

纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高100倍。用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍粉的粒径在5nm以下时，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化效率迅速提高。

2．纳米功能材料光吸收作用

多种物质对光线都具有屏蔽防护的作用，如氧化铝、氧化镁、二氧化钛、二氧化硅、碳酸钙等，当这些材料制成纳米粉体，微粒的尺寸与光波波长相当或更小时，小尺寸效应导致光吸收显著增强。目前，对紫外线吸收的几种材料有：30～40nm的TiO2纳米粉体，对波长400nm以下的紫外线有极强的吸收能力；Fe2O3纳米粉体，对波长600nm以下的紫外线有良好的吸收能力；Al2O3纳米粉体，对波长250nm以下的紫外线有很强的吸收能力。经表面接枝改性后的C60有望作为接收太阳能并将之转化为化学能或者其他能量的新型材料，可较为有效地吸收阳光中的主要波长，在太阳能电池等应用领域具有潜在的使用价值。

3．纳米功能材料的抗红外线作用

纳米微粒用作红外反射材料主要是制成薄膜和多层膜来使用。通常将包含有氧化铝、氧化镁、氧化锌等的粉体称为远红外陶瓷，这些材料对红外线有极强的屏蔽作用。用纳米SiO2和TiO2制成总厚度为微米级的多层干涉膜，衬在灯泡罩的内壁，不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。分析得知，它对波长为1250～1800nm的红外线有极强的反射能力。

4．纳米功能材料在医学上的应用

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的机遇。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米二氧化硅微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或磁靶向药物抗体进行局部定向治疗等。

5．纳米功能材料在国防上的应用

在雷达隐身技术中，超高频段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米功能材料正被作为新一代隐身材料加以研制。纳米粒子的表面原子比例高的特点以及量子尺寸效应使纳米微粒具有良好的吸波能力。科学家正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料中的硼化物、碳化物、铁氧体、纳米纤维以及纳米碳管在隐身材料方面的应用将大有作为。

6．纳米功能材料在能源方面的应用

纳米功能材料在能源方面可应用于锂离子电池负极材料和质子交换膜燃料电池（PEMFC）。

近几年，碳纳米管在锂离子电池方面的应用得到广大科研人员的关注。碳纳米管的管径仅为纳米级尺寸，管与管之间相互交错的缝隙也仅为纳米级尺寸。碳纳米管这种特殊的微观结构使锂离子的嵌入深度小、过程短，锂离子不仅可嵌入管内各管径、管芯，而且可嵌入管间的缝隙之中，从而为锂离子提供大量的嵌入空间位置，有利于提高锂离子电池的充放电容量及电流密度。碳纳米管这种优异的结构使其成为锂离子电池极好的电极材料。

质子交换膜燃料电池具有高功率密度、高能量转换效率、低工作温度和环境友好的优点，是最有发展前途的一种燃料电池。目前PEMFC使用的催化剂大多是以碳材料如活性炭、炭黑等为载体的铂催化剂，即Pt/C催化剂。研究人员开发的浸渍还原法、胶体法等工艺制备的Pt晶粒尺寸3～5nm，而且晶粒粒径均匀、分散性较好、比表面积大，提高了Pt利用率，从而提高了催化剂的活性。