生活垃圾要分类回收，纳米材料也要？

来源：中科院之声

现如今，全国上下正在如火如荼地开展垃圾分类回收工作。还在因为干垃圾湿垃圾而晕头转向的你知道吗，除了我们的日用生活垃圾，高科技的纳米材料也需要进行分类回收。

图1 垃圾分类（Pixabay）

纳米材料是现如今最热门的新兴材料。它理化性质优异、可宏量制备，商业化应用也受到了越来越多的关注。近年来，曾经神秘的纳米材料，逐渐进入到我们生活的方方面面：防晒霜、化妆品、防水纺织品、锂离子电池、玻璃图层、网球拍……

微小尺寸的纳米材料，因其特殊的物理及化学性质带来便利的同时，与人类健康、环境和安全相关的潜在风险也随之而来。例如，某些纳米材料可能绕过重要生物保护机制（如血脑屏障），或在进入环境后对生态系统造成破坏。因此，对于纳米材料污染物的回收处理显得尤为重要。

常用的纳米材料回收方法主要有纳米催化剂的磁回收、利用不良溶剂对纳米材料进行回收、通过吸附载体对纳米材料进行回收等。通过这些方法可以实现对高价值、资源受限以及高毒性纳米材料的有效回收和再利用。然而，上述回收策略通常只涉及废弃纳米材料的回收，忽略了对纳米材料制备过程中产生的材料损耗和废弃产物的回收处理。纳米材料通常是由价格高昂的试剂以及原材料制备而来，如果将这些废弃产物处理掉，会大大增加生产成本以及环境危害。如何回收再利用纳米材料合成后的废弃产物，对于降低成本和减少环境污染具有非常重要的意义。

图2 回收再利用对于纳米材料绿色和可持续发展合成策略的重要性

纳米材料的化学合成过程中会产生的多种废弃产物主要包括：

（1）纳米材料产率低而生产副产物造成的反应原料浪费（下图A）；

（2）化学反应介质浪费（下图B）；

（3）模板反应中模板浪费（下图C）。

图3 纳米材料化学合成过程中产生的废弃产物示意图

根据废弃产物的不同种类，纳米材料化学合成过程中产生的废弃产物回收有以下步骤：

1.首先，利用离心、沉淀、过滤和蒸发等方法将溶液与固体反应产物进行分离；

2. 随后，通过沉淀和化学转化反应，包括离子反应沉淀法、酸-碱沉淀法以及氧化还原反应等，将溶液中的溶剂和离子进行分离；

3. 进一步，采用蒸馏、分馏、再结晶以及萃取等方法将溶质和化学元素进行分离。

通过以上步骤，便可以像日常生活垃圾分类一样，对纳米材料合成过程中产生的废弃产物进行分类回收和再利用了。

图4 纳米材料化学合成过程中废弃产物回收策略总结

此外，纳米材料的绿色可持续制备不只限于化学合成，还包括物理合成以及纳米材料的分离和提纯等。例如金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的分离，需要经过选择性的聚合物包覆之后，通过离心沉降后才能有效分离。一般此类聚合物价格昂贵，通过将该类聚合物进行回收再利用就可以有效降低金属性或者半导体性碳纳米管的提纯成本。

中国科学技术大学俞书宏课题组通过设计合理的化学和物理回收策略，成功对碲和银纳米晶模板反应制备多种功能纳米材料时产生的碲和银废弃离子进行了有效回收，并利用其制备了高质量的碲和银纳米线。对于各类模板反应，大部分的碲和银元素都得到了回收再利用。通过该过程，高效地回收了过去被随意丢弃的有毒元素碲和贵金属元素银，大大降低了以此为模板制备多种功能纳米材料的成本和对环境所造成的危害，相关科研成果分别发表在了国际期刊《欧洲化学》（Chemistry-A European Journal, 2015）和《中国科学:材料》 （Science China Materials, 2016）上。

图5 回收碲和银纳米模板反应中的碲和银元素制备碲和银纳米线

该课题组结合近年来的研究进展，对回收和再利用纳米材料合成过程中产生的有价值元素进行了总结和展望，强调了回收再利用对于纳米材料的绿色可持续发展合成策略的重要性。该观点对于纳米材料的宏量制备和商业应用具有重要的指导意义，该观点透视论文发表在了最新一期国际期刊《ACS：材料快报》（ACS Materials Letters, 2019, 1, 5, 541-548）。论文链接：DOI: 10.1021/acsmaterialslett.9b00283