纳米材料与技术2.docx

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纳米材料与技术2

纳米材料

（2）

六、纳米材料的制备方法

我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料。

墨中纳米碳粉制备方法在今天看来实际就是一种气体冷凝法，在科学技术高度发展的今天，人工制备纳米材料的方法得到很大的发展。

纳米颗粒的制备方法主要有气相法和液相法，如下所示：

气相法制备纳米微粒

1、低压气体中蒸发法（气体冷凝法）；2、活性氢——熔融金属反应

3、溅射法；4、流动液面真空蒸镀法；

5、通电加热蒸发法；6、混合等离子法

7、激光诱导化学气相沉积；8、化学蒸发凝聚法；9、爆炸丝法

液相法制备纳米微粒

1、沉淀法；2、喷雾法

3、水热法；4、溶剂挥发分解法

5、溶胶一凝胶法（胶体化学法）；6、超声电化学微乳液法

而纳米结构材料（纳米固体、块体、膜）的制备方法主要有以下几种：

1、惰性气体蒸发、原位加压制备法；2、高能球磨法

3．非晶晶化法；4．溅射法；5．形变诱导纳米晶的生成

6.1、惰性气体蒸发制备纳米材料（氢等离子体法）

该法是利用快速凝固的原理制备纳米粉体。

先使系统达到预定的高真空，然后充入低压（约2kPa）的纯净惰性气体（含一定的活性气体H2）。

将欲蒸发的金属置于坩埚内，通过离子体蒸发蒸发，产生元物质烟雾，通过冷却后得到纳米金属粉末。

其基本原理是等离子体能量密度高度集中，等离子体中心区温度可高达4000-6000℃，离开等离子焰后温度以巨大的温度梯度急剧下降，加上惰性气体的对流，这种特殊的温度场为金属颗粒表面的迅速熔化和快速冷却创造了良好的温度环境.烟雾向上移动，并接近充液氯的冷却阱（冷阱，77K）。

在蒸发过程中，由元物质发出的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而形成冷却，这种有效的冷却过程在元物质蒸气中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过程。

因此．在接近冷却棒的过程中，元物质蒸气首先形成原子簇，然后形成但个纳米微粒。

在接近冷却棒表面的区域内，出于单个纳米微粒的聚合而长大，最后在冷却棒表面上积聚起来，用聚四氟乙烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉，得到超微粒（1—1000nm）或纳米微粒。

氢等离子体法制备的纳米金属粉体成品不含卤素、硫、氧、碳等杂质，纯度高、粒径均匀、松装密度小、表面活性高。

我院金属材料系纳米金属粉体课题组系统研究了氢等离子体制备纳米金属粉体。

目前已能制备出的材料种类有：

Ni、Fe、Cu、Zn、Ag、Al、Mo、Ti等纳米金属粉体。

6.2、超声电化学微乳液法制备纳米材料

纳米金属粉体课题组还开展了超声电化学微乳液法制备纳米材料的研究。

该法是利用超声波的空化作用和电化学原理制备纳米金属粉体。

其基本原理是在电解液和微乳液形成的混合液中导入大功率超声波，将产生的大量空化气泡。

气泡爆炸时释放出巨大能量，产生具有强烈冲击力的微射流，这些条件能促使非均相界面间的扰动和相界面更新。

同时，根据热力学原理，在超声场中振动着的空气泡收缩－膨胀－爆炸过程中，会造成其内部气体温度、压力的骤然变化，而产生局部高温高压环境，这种局部周期性的温度、压力振荡，对电解微乳液中的形核起到很大的促进作用。

通过微乳液易发生沉降、絮凝、聚结等特点，在电沉积粉末的形核、结晶过程中，在金属晶核表面形成不良导体包覆层，阻碍电化学反应的继续进行，有效阻止了金属粉体因持续电解而发生的继续长大和团聚，同时对生成的粉体实现原位包覆。

用超声电化学微乳液法可通过相关工艺参数的调整最终获得粒度可控的超细（纳米/微米）金属粉体，而且粉体可以进行原位包覆，既可防止粉末氧化，又便于粉末收集。

该制备工艺成本低，粒径可控，产量高，易于实现技术放大和产业化。

目前已使用该方法制备出Fe、Cu、Zn、Ag、Sn等多种粉体材料。

6.3、原位加压法制备纳米结构材料

原位加压法可以看成是惰性气体法的延续加工过程，可以将其制备的纳米粉末制成块体材料。

具体过程是：

由惰性气体蒸发制备的纳米金屑或台金微粒，在真空中由聚四氟乙烯刮刀从冷阱上刮下，经漏斗直接落入低压压实装置，物体在此装置中经轻度压实后，由机械手将它们送至高压原位加压装置，压制成块状试祥，压力为1-5GPa，温度为300K-800K。

由于惰性气体蒸发冷凝形成的金屑和合金纳米微粒几乎无硬团聚体存在，因此，此种制备方法的优点是：

纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，因此块体纯度高，相对密度也较高。

即使在室温下压制，也能获得相对密度高于90％的块体，最高密度可达97％，我院纳米金属粉体课题组正在开展这方面的相关研究。

6.4、球磨法制备纳米材料

高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。

如果将两种或两种以上金屑粉末同时效入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程（冷焊一粉碎一冷焊的反复进行），最后获得组织和成分分布均匀的台金粉末。

由于这种方法是利用机械能达到合金化，而不是用热能或电能，所以，把高能球磨制备合金粉末的方法称做为机械台金化。

对于一些用传统技术难以制备的新材料，使用球磨方法能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金，如Cu-Fe、Cu-Pb、Cu-Cr、Cu-W等材料的生产，还可用于制备TiAl、NiAl等金属间化合物及功能材料和超硬合金等

高能球磨法还能制备出纳米晶材料。

纯金属纳米晶的形成是纯机械驱动下的结构演变。

买验结果表明，高能球磨可以容易地使具有bcc结构（如Cr，Nb，W，Fe等和hcp结构（如Zr，Hf，RM）的金属形成纳米晶结构，而对于具有fcc结构的金属（如Cu）则不易形成纳米晶。

纯金属粉末在球磨过程中，晶粒的细化是由于粉末的反复形变，局域应变的增加引起缺陷密度的增加，当局域切变带中缺陷密度达到某临界值时，粗晶内部破碎。

这个过程不断重复，最终形成纳米晶粒，或粗晶破碎形成单个的纳米粒子。

目前已成功地制备出纳米晶纯金属，互不相溶体系的固涪体；纳米金属间化合物及纳米金属一陶瓷粉复合材料等几种材料。

高能球磨制备的纳米铂体的主要缺点是，晶粒尺寸不均匀，引入某些杂质，但是高能球磨法制备的纳米金属与合金结构材料产量高，工艺简单，并能制备出用常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料。

我院金属材料系的特种粉体课题组利用高能球磨法制备出了纳米Ti（C,N）材料的前驱体TiC，经过烧结后得到的Ti（C,N）粉体材料晶粒仅有几十纳米；贮氢材料课题组也利用高能球磨制备纳米粉体用于贮氢电池以及磁制冷工质的制备中。

6.5、非晶晶化法

非晶晶化法的基本过程是将原料放入坩埚中，抽取高真空后，用电弧或者是感应圈将坩埚内的母合金加热熔化成熔体，然后将合金液从坩埚末端的狭缝中直接喷射到（通过调节气体压力或者直接操纵坩埚）高速旋转的冷却辊轮上，冷却速度可以达到105-106℃/s，从而得到非晶薄带。

将非晶薄带破碎后放入真空晶化炉中进行热处理，最终得到具有纳米晶结构的NdFeB永磁材料。

该方法的基本原理是在合金冷却过程中，形核速度与过冷度呈指数函数变化，而长大速度与过冷度呈线性函数变化。

随着冷却速度的增加，合金熔体在快速冷却过程中的形核率将大大高于晶核长大速度，获得的合金的晶粒就很细小；当继续提高冷却速度到某一临界冷却速度时，一方面过冷度的继续增大造成过冷熔体温度很低，原子扩散速度降低，具有满足形核条件所需要的能量起伏和结构起伏的原子数目明显减少，另一方面熔体的形核时间进一步缩短，形核率显著减小，进而熔体中原子的组态将基本上保持不变，即在整个凝固过程中被“冻结”而形成长程无序的非晶结构。

而晶化热处理相当于是一个给原子“解冻”的过程。

当非晶薄带被送入晶化炉中进行热处理时，通过控制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间进行扩散和排列，形成我们需要的具有纳米晶结构的晶态相，但又不出现晶粒过分长大的情况。

我院金属材料系磁性材料课题组从事非晶晶化法制备纳米晶材料已经有十余年的历史，系统研究了合金成分、快速工艺、热处理工艺等对磁粉纳米晶结构的影响，目前已经制备出了高性能的纳米晶NdFeB永磁粉末、PrFeB永磁粉末、SmFeN永磁粉末等，其性能与国外同类产品相当，处于国际领先和国内一流的水平。

课题组在这方面的研究成果显著，已经荣获四川省科技进步一等奖和二等奖各一次，并且已经申报了国家科技进步奖，获得3项国家发明专利。

6.6、溅射法

此法也是根据气相沉积原理来制备纳米材料。

用两块金属板分别作为阳极和阴圾，阴极为蒸发用的材料．在两电极间充入Ar气（40-250Pa）．两电极间施加的电压范围为0.3—1.5kV。

由于两极间的辉光放电使Ar离子形成．在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在基材附着面上沉积下来。

粒子的大小及尺寸分布主要取决于两电极间的电压。

电流和气体压力。

靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高、超微粒的获得量愈多。

控制溅射的工艺参数，通过金属微粒子在基材表面的沉积，该法可以制备出均匀的纳米薄膜。

用溅射法制备纳米微粒有以下优点：

可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属。

常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属；能制备多组元的化合的纳米微粒，ZrO2等，通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。

目前，计算机的硬盘制造商都采用溅射法来制备纳米磁性薄膜。

我院材料科学系的太阳能电池课题组、功能陶瓷课题组、无机材料系的金刚石薄膜课题组等都已经开展了溅射法制备纳米薄膜的研究。

七、纳米材料和技术的应用

纳米材料和技术出现的时间并不长，但其发展速度令人惊奇。

这是因为纳米材料和技术具有广阔的应用前景，引发的结果可以用令人瞠（cheng）目结舌来形容。

取个简单例子，钻石一直就是财富和权力的象征，由于其在大自然中极为罕见而被人们奉为圣物。

然而，价值连城的钻石是由碳原子构成的，而极为普通的石墨也是由碳原子构成的，造成这一巨大差别的只是由于碳原子排列组合的不同所致。

虽然，人类今天已经拥有了人造钻石的技术，但高温高压的合成条件十分苛刻，制备相当不易。

纳米技术的出现将使我们能准确地驾驭原子，按人为意志对碳原子进行重新排列，点石成金的技术变得十分简单。

所以，纳米材料和技术可将许多天方夜潭中的神话变成现实，应用前景不可估量。

美国预测在2010年，纳米技术市场可达到14400亿美元，将超过计算机工业市场。

随着科技的发展和人们生活水平的提高，各种器件的高性能化、微型化甚至纳米化日益重要（如电路元件的尺寸在未来的20年将达到亚微米甚至纳米的水平，而具有量子效应的器件、分子电子器件和纳米器件将成为电子工业的核心），纳米材料的发展也取得了长足的进步，在其制备、表征和性能测试和加工等方面取得了许多成果，不但应用于航空、航天、能源、电子、环境、医药等工业部门的高新技术产品，用以提高其性能水平和开创新的产品，而且正在逐渐进入寻常百姓的生活，渗透到了人们的衣食住行中。

正象科学家预言的那样，纳米科技和纳米材料在不久的将来，将极大地改变人类的生产和生活方式。

7.1、纳米材料和技术在工业上的应用

7.1.1、机械工业

纳米材料给传统机械工程材料的性能带来了质的飞跃。

日本东北大学用非晶晶化法制备出了在非晶基体上分布纳米粒子的纳米复合合金材料，其中包括纳米A1-Ce-过渡族金属合金复合材料，这类合金共有比常规同类材料好得多的延展性和高的强度（1340-1560MPa）。

我国中科院金属所用纳米铜粉制备的带材具有5000%的超塑性。

机械工业采用纳米技术对机械关键零部件进行金属表面纳米涂层处理，提高机械设备的耐磨性、硬度和收用寿命。

涂层中引入纳米材料，还能显著提高材料的耐高温、抗氧化性。

例如，在Ni的表面沉积纳米Ni-La2O3涂层，由于纳米颗粒的作用，阻止镍离子的短路扩散，改善氧化层的生长机制和力学性质。

纳米技术对传统机械工程材料进行改性也大幅提高其性能。

芬兰技术研究中心等用磁控溅射法成功地在碳纲上涂上纳米复合涂层（MoSi2/SiC），在500℃下经1小时热处理后，涂层硬度达20.8GPa，比碳钢提高了几十倍，而且涂层还具有良好的抗氧化和耐高温性，克服了单层纳米MoSi2容易开裂的缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。

美国西北大学用磁控溅射法在工具钢沉积了氮化物纳米复合多层膜、如TiN/NbN和TiN/VN，它们的硬度分别达到了52GPa和51GPa，比一般工具钢硬度提高了十几倍。

我国台肥工业大学也研究纳米TiN改性TiC基刀具材料，在金属陶瓷基体中加入纳米TiN、AlN以细化晶粒，大幅提高刀具材料的强度、硬度和断裂韧性。

研制的纳米改性金属陶瓷刀具材料可部分取代YG8、YT15等硬质合金刀具，使用寿命提高2倍以上，但生产成本与YG8刀具相当或略低。

用纳米磁流体技术还可以大幅减少机械运行中的磨损。

将包裹了表面活性剂的磁性微粒（通常为Fe3O4和铁氧体，直径约为10nm左右）高度弥散分布于特定基液中，得到的稳定复合体系便是纳米磁流体。

在这样小的尺寸下，强磁性颗粒已失去了大块材料的铁磁或亚铁磁性能．呈现没有磁滞现象的超顺磁状态；在磁场作用下，磁性颗粒带动着包裹液体一起运动。

将磁流体分布在金属表面，其中的纳米粒子能完全充填到金属表面的微孔中，形成比较平滑的金属表面，有利于在金属表面自动形成烃类分子保护膜，可以最大限度地减少金属与金属间的摩擦，减少摩擦磨损，耗能将大大减少，机械噪声降低，机械寿命成倍增长；基液本身可采用润滑油，不会出现任何副作用；并且，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。

我院纳米粉体课题组在纳米润滑方面取得了较大的成果，研制的纳米润滑油的润滑效果和美国乙基公司的产品相当，部分参数指标还大大超过乙基公司。

利用纳米磁流体还可以加强机械结构件之间的密封。

利用磁性液体可以被磁控的特性，人们在旋转轴承密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中，形成磁性液体的O形环并实现密封作用。

这种密封圈自身没有磨损，可以做到长寿命的动态密封，而且对密封部件还有润滑作用。

目前，在计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁级，在转轴处已普遍采用磁性液体的防尘密封；在精密仪器的转动部分．如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封、大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。

利用纳米技术还可以直接制造超微型机械。

近10年来，科学家们已经成功地制造出了纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米传感器等纳米机械和机电零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。

如美国波士顿大学制造出了世界上一种最小的分子马达。

该马达仅由78个原子组成。

几乎同时，日本和荷兰的科学家也研制出另一种用太阳能驱动的分子马达，它能在光的照射下连续不断地旋转。

日本东京大学在世界上首次研制成功可自由控制转速的分子齿轮，该分子齿轮的结构由两个直径约为1nm的卟啉分子夹着一个直径约为0.1nm的金属离子，如将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中，并对溶液加热到特定的温度，就可以使卟啉分子和金属离子组合成分子齿轮。

目前这种分子齿轮只能分别单独旋转，倘若要构成一个齿轮传动系统，就必须将多个分子齿轮按一定的方式组合起来。

美国桑迪亚国家实验室研制出微型发动机，直径只有200μm，其主要活动部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮，人们只能借助显微镜观看它的旋转，但速度可以达到每分钟30万转，一滴油就可以灌满约50个这样的发动机。

日本丰田汽车公司用微型部件已经制造了一辆只有一粒米那么大的能开动的微型汽车。

美国兹微技术研究所制出一架黄蜂大小的直升机。

这些研究成果为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础，构成人类梦寐以求的实用微型机械系统。

7.1.2、催化工业

纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。

最近，关于纳米微粒表面形怂的研究指出．随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，从而增加了化学反应的接触面。

近年来发现一系列金属超微颗粒特殊处理后将具有断裂碳—碳键以及加成到碳—氢键的能力，因此有人预计超微粒子催化剂在下个世纪将成为催化反应的主要角色。

如烯烃双链往往与尺寸较大的官能团相邻接．致使双链很难打开，加上粒径为1nm的铑微粒，双链打开十分易．氢化反应可以顺利进行；以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成催化列，可使有机物氢化效率比传统镍催化剂的10倍，超细Pt粉、WC粉是高效的氢化催化剂；越细Ag粉可作为乙烯氧化的催化剂；超细的Fe3O4微粒作为催化剂可以在低温（270-300℃）下将CO2分解为C和H2O；超细Fe粉可在C6H6气相热分解中起到核的作用而生成碳纤维；Au超微粒子固定在Fe2O3、Co3O4、NiO中，在零下70℃时就具有较高的催化CO的氧化反应。

半导体的光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，烃基变成自由基，作为强氧化剂引起的如下变化：

酯—醇一醛一酸—CO，完成对有机物的降解。

纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多，原因在于：

量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正，达意味着纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力。

纳米半导体粒子的粒径小，光生载流子比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内迁移到表面，有利于得或失电子，促进氧化和还原反应。

常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2（锐钛型）、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。

利用纳米TiO2丝的阵列提高光催化效率已获得成功、由于纳米丝表面积大，比同样平面面积的二氧化钛膜的接受光的面积增加几百倍．最大的光催化效率可以高300多倍．对双酚、水杨酸利带苯环一类有机物光阵解十分有效。

纳米TiO2在可见光的照射下对碳氢化合物也有催化作用，利用这样—个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米二氧化钛薄层，它有很好的自清洁作用，日本东京已有人在实验室研制成功自洁玻璃和自洁瓷砖。

这种新产品的表面有——薄层纳米TiO2，在光的照射下任何粘在表面的物质，包括油污、细菌，在光的照射下由纳米TiO2的催化作用，使这些碳氢化合物进一步氧化成气体或者很容易被擦掉的物质。

纳米TiO2光致催化作用给人们带来方便：

日本用纳米TiO2已经制备出保洁瓷砖，装饰了—家医院的墙壁，经使用证明这种瓷砖不但具有自洁功能，还具有明显的杀菌作用；目前高层建筑的表面清洁十分麻烦，工作量大，清洗后不能保持，而且高空作业具有很大的风险，用纳米TiO2装饰高层建筑表面，粘污在表面上的污垢、油垢等很容易被TiO2分解，在风吹、雨水以及自重等因素的作用下很容易脱落，高层建筑物的表面清洗将变得十分简单，人们不必再去从事高空清洗这类危险的职业。

7.1.3、能源工业

纳米能源技术的开发将在不同程度上缓解世界能源的短缺状况，提高现有能源的使用效率，为整个世界的发展提供新的动力。

其中，纳米太阳能电池材料、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向，将在解决21世纪日益突出的能源危机问题上，发挥重要作用，形成一个新的经济增长点，具有巨大的市场容量。

耐蚀纳米涂层在电力行业具有极大的应用价值和广阔的市场,可使部件的寿命延长数倍。

如在以下设备、部件中应用该技术：

①汽轮机末级叶片的表面抗水蚀涂层;②水轮机叶片的抗汽蚀、抗泥沙磨损涂层;③火、核电厂高温管道的表面耐蚀涂层;④磨煤机易磨损部件的涂层;⑤长寿命的继电器触点;⑥长寿命的高压开关触头;⑦水冷壁表面抗蚀涂层;⑧汽轮机转子、叶片等各种部件的局部修复。

太阳能的利用是新世纪能源开发的重点,因为太阳能是理想的清洁能源。

研制高效太阳能转化电池是太阳能利用的一个重要方面。

目前，国外用纳米材料制作太阳能电池,光电转化效率大致在10%-15%范围。

该项技术不需高成本的导电玻璃和导电薄膜,不仅设计简单、而且成本低,是很有竞争力的新型太阳能电池优选材料。

我院材料科学系太阳能电池课题组也在从事太阳能薄膜电池的研究，先后研制出非晶Si、TeZn、CdS、TeCd等薄膜太阳电池，其中碲化镉太阳电池转换效率达到11.6%，这是我国各种薄膜太阳电池的最高效率，进入世界先进水平。

热电转化材料是能源产业重要的材料,在热电厂和仪器仪表有着重要应用,长期以来人们致力于寻找热电转化效率高的材料。

纳米材料和纳米结构的问世为寻找高效热电转化提供了机遇。

美国1998年报道了GeSi超点阵纳米薄膜结构,热电功率系数比常现的SiGe薄膜和体材料SiGe合金高许多倍,是很有应用前途的热电转化材料。

美国AlliedSignal公司和Utah大学物理系联合开发了一种新型热电结构纳米材料,热电转化系数高达1014cm3,这是目前国际上最高值的热电转化材料。

高效储能材料在汽车、舰船、飞机上有广泛用途。

为了获得高的能量密度和质量体积，必须具有高的离子传导率从稳定性，优越的离子/电子传导率和相对高的电位使改性MnO2具有大量隧道及孔隙，成为可充电电池领域最有希望的候选物。

科研人员合成制备出一种纳米孔结构Ni（OH）2电极材料，Ni（OH）2纤维直径2-5nm，长15-50nm，材料具有均一的孔隙率和狭窄的孔径分布，可以明显提高镍碱性电池性能，并且成本低廉。

碳纳米管的出现为高效储能材料带来新的突破。

初步研究结果表明，单壁碳纳米管是一种很有希望的储氢材料。

碳纳米管的直径约为200nm，管壁厚约为50nm，1g碳纳米管的比表面积竟达数百平方米，这是其多孔构造提供的。

碳纳米管比表面积大，可大量地吸附气体，在室温下就可吸附氢气，只要稍微加温，这些氢气就可释放出来，有望推动和促进氢能利用，作为锂离子电池阴极材料，LiMn2O4纳米管电极的放电容量可以达到133.8mAh/g，而相同材料的薄膜电极只有52mAh/g，循环10次以后，碳纳米管电极的放电容量降低至125mAh/g，薄膜电极降低至41mAh/g。

纳米管电极具备高放电容量的原因有两个：

一是由于高的比表面有效地降低了活性物质的实际电流密度，减小了材料的极化程度；二是由于锂离子从碳纳米管的内外两侧进行迁移，纳米级的管壁缩短了理离子在LiMn2O4固相的扩散。

用纳米管做储氢材料，提供给汽车的燃料电池，有望使氢能燃料电池汽车的早日实现。

纳米技术在能源方面的潜在突破还有许多：

（1）用纳米机器人和智能系统进行环境和核废料的管理；

（2）用纳米材料分离核燃料处理中的同性素。

（3）用纳米流体提高核反应堆的冷却效率；（4）用纳米粉末消除能源污染

（5）用于清洁能源的人工光学合成系统；（6）荆于新一代更高效太阳能电池的分子晶体层。

7.1.4、涂料工业

传统涂料在太阳光的照射、细菌的侵蚀及其他因素作用下，耐洗刷性差和耐磨性很差，时间不长墙壁很容易就变得斑驳陆离。

纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体，也可以是粉末颗粒或纤维，用于表面修饰、包覆、改性或增加新的特性。

随着粒度进入纳米尺度，粒子的粒径远小于可见光的波长（400-760nm），对可见光反射和散射的能力，它们在可见光区是透明的，但对紫外光具有很强的吸收和散射能力。

某些粒径<100nm的纳米材料对α射线、γ射线具有吸收和散射作用，可提高涂层防辐射的能力。

如在建筑内外墙涂料中添加少量的纳米SiO2后，纳米SiO2具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性，对400nm以内的紫外光的吸收率大（70%以上），相对减弱了紫外光吸收UV照射的强度，可明显提高涂料的抗老化性能。

涂料的抗紫外线老化性能可由原来的250h提高到600h以上。

纳米TiO2有很强的散射和吸收紫外线的能力。

在建筑外墙涂料中添加适量的纳米TiO2，可以将乳胶漆的耐候性提高到一个新的等级，同时还可使乳胶漆的耐老化性能有很大的提高。

同样，塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂—层含纳米微粒的透明涂层，可以防止塑料老化。

汽车、舰船的表面都需涂油漆，特别是底漆，主要是由氯丁橡胶、双酚树脂或者环氧树脂为主要原料，这些树脂和橡胶类的高聚物在阳光的紫外线照射下很容易老