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应用大变身:炫目多“才”的贵金属纳米材料
2018年11月19日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:3572
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仅从名字上看,便知道贵金属具备着极高的经济价值。从古至今,罕见且天然的贵金属一直担任着重要货币的角色,其中最有名的铸币金属莫过于金(Au)和银(Ag)。但如今时代变迁,纳米技术的进步使得贵金属纳米材料拥有了优异的催化性质、电性质、磁性质和光学性质,几乎在电子、化工、医药、能源、冶金、陶瓷等所有行业中都能见到它们活跃的身影。至于贵金属纳米材料从中饰演了什么角色,且看下文揭晓。

 

 

 

贵金属纳米材料分类及应用

序言中提到,贵金属纳米材料几乎应用于所有行业,但你需要知道,这些被应用的贵金属通常都是经过深加工的制品。所谓贵金属的深加工,是指将贵金属单质或化合物通过一系列的加工过程,使其物理或化学形态发生变化,成为更有使用价值的贵金属制品的过程。如今通过与纳米技术相结合,贵金属深加工的范围得到了拓展,许多新的贵金属深加工产品也因此得以问世。

 

贵金属纳米材料包括贵金属单质和化合物纳米粉体材料、贵金属新型大分子纳米材料和贵金属膜材料等几大类型。其中,贵金属的单质和化合物纳米粉体材料又可分为负载型和非负载型两类,是工业上应用最多的贵金属纳米材料。

 

 

贵金属(金、银、铂、钯、钌、铑、锇和铱)及其亲戚(铼、铜、汞)的全家福

 

一、贵金属单质和化合物纳米粉体材料

 

1、非负载型粉体

包括银、金、钯和铂等贵金属单质的纳米粉体及氧化银等贵金属化合物纳米粉体两大类型。由于纳米粒子的表面作用能很强,使纳米粒子之间极易团聚,通常在制备过程中或得到粉体产品后,会用一定的保护剂(兼有分散作用)包覆在颗粒表面。

 

应用方面:

目前已产业化并在工业上得到应用的非负载型贵金属纳米粒子主要有纳米银粉、纳米金粉、纳米铂粉和纳米氧化银等。纳米金粉作为着色剂早已被用于威尼斯玻璃和彩色玻璃,含有纳米银粉的纱布可用于烧伤病人的治疗。目前,纳米银粉可替代超细银粉用于导电浆料中,可减少银的用量降低成本;纳米金属粒子用作油漆的着色剂时,异常光亮的涂层使得它在豪华型轿车和其它高档装饰方面具有巨大的应用潜力。

 

纳米金胶体在不同粒子尺寸和浓度下表现出不同的颜色

 

另外,用贵金属胶体制成的浆料具有更高的性能价格比,产品质量稳定,可用于开发新一代高性能电子产品,同时贵金属胶体本身还可以直接用于电子电路制造及电子封装技术,如贵金属Pd胶体可被制成色粉流体(Toner fluid),用于电子电路制造和工艺品镀金。 

 

2、负载型粉体

贵金属的负载型纳米材料通常指将贵金属及其化合物的纳米粒子负载到一定的多孔性载体上得到的复合物,也有人将它归入贵金属复合材料。它具有两大优点:

①可以得到非常分散和均匀的贵金属单质和化合物的纳米粉体材料,有效地防止贵金属纳米粒子之间的团聚;

②生产过程比非负载型简单,技术指标易控制。


目前已生产并在工业上得到应用的负载型贵金属粉体有Ag,Au,Pt,Pd,Rh和它们相互之间以及它们与一些贱金属之间形成的合金纳米粒子。

 

 

 

应用方面:

目前负载型贵金属纳米材料主要用作催化剂。由于贵金属纳米粒子尺寸很小,比表面积很大,表面原子的键态和配位情况与与颗粒内部原子有很大差异,从而使贵金属颗粒表面的的活性位置大大增加,具备作为催化剂的基本条件。另外,贵金属特有的化学稳定性,使贵金属在制作成催化剂后具有特有的催化稳定性、催化活性和再生性。

 

 

目前已研究出多种化学合成工业中应用的高效纳米级贵金属催化剂,比如,载在沸石-1上的胶体Pt催化剂用于将烷烃转化成石油,载在碳上的胶体Ru可用于合成氨,Pt100-xAux胶体可用于n-丁烷氢解和同分异构化。贵金属(特别是Pt)纳米材料作为催化剂在燃料电池商业化中也起着至关重要的作用:由于1~10nm Pt粒子具有的优异催化性能,用纳米级Pt制成燃料电池催化剂,不但催化性能得到提高,而且可减少贵金属用量,使得制备成本得以大幅下降。

 

另外,纳米级贵金属还将在氢能源开发中起关键作用。用纳米级贵金属催化剂分解水制氢是贵金属纳米材料发展的一个方向,目前已有多种途径用贵金属纳米材料催化制氢,如胶体Ir是水还原制氢的活性催化剂。

 

二、贵金属新型原子簇

利用希夫林(Schiffrin)反应,可制备出用烷基硫醇保护的Au,Ag以及它们的合金,如Au/Ag,Au/Cu,Au/Ag/Cu,Au/Pt,Au/Pd和Au/Ag/Cu/Pd等的原子簇合物。簇合物的质量数非常单一,可以达到“分子”纯度。稳定的性质,使得它们可像普通分子一样反复地溶解和沉淀而不会团聚,也可发生交换、偶联和聚合等反应并形成以原子簇合物为结构基元的晶体。因此,把这类原子簇合物称为单层保护的簇合物分子(MPC)。

 

应用方面:目前已发现3~40 nm的金纳米粒子可用于细胞内部染色,提高对细胞内部组织观察的分辨率,这对细胞生物学的研究具有重要意义。

 

三、贵金属膜材料

贵金属化学性质稳定,不易与周围环境起反应,常被用来制作表面镀层和多孔膜。除了一般的装饰镀层外,近年来,出现了镀金玻璃作墙幕,以反射热辐射,减小能源消耗。如多伦多市加拿大皇家银行大楼就安装了镀金反射玻璃,用去黄金77.77 kg。

 

右侧的土豪金大厦就是加拿大五大银行之首的“加拿大皇家银行”

 

总结

虽然贵金属纳米材料的发展时间不算很长,但已显示出了强劲的发展态势,在现代工业、国防和高技术发展中占据着重要地位。相信随着科技的进步及研究的深入,贵金属纳米材料将能进一步降低成本并扩大它的影响面,造福于民。

 

资料来源:

贵金属纳米材料及其产业化过程,周全法,黄红缨。

贵金属纳米材料的研究进展张树霞,高书燕,杨恕霞,张洪杰。

 

粉体圈 编辑:小


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