Урок-конференция по химии "Нанохимия"

В последние годы в заголовках газет и в журнальных статьях мы все чаще встречаем слова, начинающиеся с приставки «нано». По радио и телевидению нам практически ежедневно сообщают о перспективах развития нанотехнологий и первых полученных результатах. Посмотрим репортаж с выставки «Нанотехнологии 2013».

Что же означает слово «нано»? Оно происходит от латинского слова nanus – «карлик» и буквально указывает на малый размер частиц. В приставку «нано» ученые вложили более точный смысл, а именно одна миллиардная часть.

Нанохимия как одна из составляющих нанонауки занимается разработкой методов синтеза и изучением химических свойств нанообъектов. Она находится в тесной связи с материаловедением, поскольку нанообъекты входят в состав многих материалов. Очень важны медицинские применения нанохимии, включающие синтез веществ, родственных природным белкам, или нанокапсул, служащих для переноса лекарств.

Почему же именно наноразмеры привлекли внимание ученых? Проведем мысленный эксперимент. Представьте себе куб золота с ребром 1 м. Он весит 19, 3 т, и в нем содержится огромное число атомов. Разделим этот куб на восемь равных частей. Каждая из них представляет собой куб с ребром в два раза меньше исходного. Общая поверхность увеличилась вдвое. Однако свойства самого металла при этом не меняются. Будем продолжать этот процесс и далее. Как только длина ребра куба приблизится к размеру крупных молекул, свойства вещества станут совсем другими. Мы достигли наноуровня, т. е. получили кубические наночастицы золота. Они обладают огромной общей поверхностью, что приводит ко многим необычным свойствам и делает их совсем не похожими на обычное золото.

Классификация нанообъектов

Существует много разных способов классификации нанообъектов. Согласно простейшей из них все нанообъекты подразделяют на два больших класса – сплошные («внешние») и пористые («внутренние») (схема). Сплошные объекты классифицируют по размерности: 1) объемные трехмерные (3D) структуры, их называют нанокластерами (cluster – скопление, гроздь); 2) плоские двумерные (2D) объекты – нанопленки; 3) линейные одномерные (1D) структуры – нанонити, или нанопроволоки (nanowires); 4) нульмерные (0D) объекты – наноточки, или квантовые точки. К пористым структурам относят нанотрубки и нанопористые материалы, например аморфные силикаты.

Сегодня учащиеся старших классов подготовили доклады об объектах нанохимии.

Нанокатализ

Одно из самых перспективных применений наночастиц связано с катализом. Напомним, что катализ – это изменение скорости реакции в присутствии катализатора.

Большие перспективы катализа наночастицами связаны с двумя обстоятельствами. Во - первых, при уменьшении размера частиц все большая доля атомов оказывается на поверхности, и все меньшая – в объеме, поэтому катализатор, состоящий из наночастиц, обладает большой удельной поверхностью и может быть очень активным в гетерогенных реакциях. Во - вторых, существует размерный эффект: многие свойства наночастиц зависят от их размера, поэтому, изменяя последний, можно управлять не только активностью, но и селективностью нанокатализатора. Для производства катализаторов наночастицы металлов готовят либо в виде коллоидных растворов, либо наносят на твердый носитель. В последнем случае кластеры металлов получают в газовой фазе, разделяют их по размерам (числу атомов) и затем осаждают на подложке – тонкой пленке оксида металла (MgO, TiO₂, Fe₂O₃) Толщина пленки составляет несколько нанометров, или около десятка молекулярных слоев.

Примеры нанокатализаторов:

1. Синтез бензола из ацетилена (паладий на пленке MgO)

3C₂H₂ → C₆H₆

2. Окисление угарного газа кислородом (нанокластеры золота)

2CO + O₂ = 2CO₂

3. Гидрирование монооксида углерода (наночастицы кобальта сферической формы)

СО + 3H₂ = СH₄ + H2O.

Вопросы докладчику.

Нанохимия для водородной энергетики

Главное, что нужно для жизни, – это энергия. Водород как источник энергии обладает многими преимуществами перед углеводородным сырьем (большие мировые запасы, энергоемкость). Однако наряду с достоинствами у водорода много и недостатков (взрывоопасность, сложность получения). Одним из основных способов получения водорода является электролиз воды. Для создания водородных технологий необходимо разработать эффективные, экономически выгодные и безопасные способы: а) производства водорода; б) его транспортировки и хранения; в) окисления водорода для получения энергии.

Каким же образом нанохимия способствует развитию водородной энергетики? Первое - синтез наноструктурированных материалов для ионопроводящих мембран в топливных элементах окисления водорода.

Твердооксидные топливные элементы являются основным кандидатом на роль источников тока во многих отраслях промышленности.

В сравнении с другими источниками тока, топливные элементы дают большую мощность на единицу массы, они компактны, легки и работают при низкой температуре, около 80 ^оС. Благодаря этим качествам они считаются наиболее перспективными источниками энергии, способными заменить автомобильные двигатели внутреннего сгорания.

В твердооксидных топливных элементах роль проводника электричества выполняют ионы кислорода O ^2–. Электролитом служит тонкий слой керамического материала, проводящего ионы O ^2–. Керамика представляет собой наноструктурированный композит на основе металлического никеля и оксида циркония, легированного оксидом иттрия.

Твердооксидные элементы работают при температуре от 600 до 1000 °C – это самая высокая температура среди всех химических источников тока. Их КПД также один из самых высоких – около 60 %.

Кроме того, для твердооксидных элементов не требуются дорогостоящие катализаторы, а требования к чистоте реагирующих газов весьма скромны.

Вопрос докладчику:

Как именно нанохимия позволяет решить проблему транспортировки и хранения водорода?

Идеальное устройство для хранения водорода должно  содержать большое количество водорода в небольшом объеме и легко отдавать его по мере необходимости. Было предложено несколько принципиально разных подходов к хранению водорода, один из которых основан на использовании углеродных материалов, в частности нанотрубок. Главное преимущество углеродных нанотрубок – возможность хранить водород при низком давлении. Они способны адсорбировать значительное количество водорода – особенно перспективны в этом отношении двустенные трубки. Повысить адсорбционную емкость углеродных материалов можно в результате добавления металлов – катализаторов диссоциации водорода, среди которых одним из лучших является палладий.

Однако пока работа с углеродными наноматериалами не вышла за пределы лабораторий, и промышленного применения в хранении водорода они не нашли.

Нанокерамика

На протяжении существования человечества было замечено, что некоторые минералы обладают определенными свойствами, которые благотворно влияют на здоровье человека. Этим издревле пользовались при лечении тех или иных заболеваний. Например, при снятии воспаления применяли нефрит, чтобы получить благотворное влияние на лимфатическую и иммунную системы использовали турмалин и т. д.

В 90 - х годах прошлого века был разработан технологический процесс, при котором можно было прогнозировать свойства нового материала в зависимости от его состава. Этими поисками занимались и занимаются во многих странах.

 Керамический наноструктурный материал — компактный материал на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других неорганических соединений, состоящий из кристалли тов (зе рен) со средним размером до 100 нм. Нанокерамика по безопасности и эффективности воздействия на организм человека превосходит все аналоги.

Уникальность воздействия керамики на организм человека заключается в соединении натуральных природных материалов и достижении новейших технологий. Своими целебными свойствами она обязана тем минералам, которые в определенных соотношениях входят в состав: турмалин, германий, вулканические породы, камень эльван и цирконий.

Весь материал - смотрите архив.