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摘 要 介绍了北京２００８年奥运会建设的“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”三大主题中纳米复合功能涂料技术所处地位以及研究进展情况。
关键词 纳米复合涂料；功能型涂料；奥运会建设．
“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”是北京２００８年奥运会建设的三大主题，目前各项工作都正在围绕着这３个主题展开，包括纳米科技在内的高新技术将为北京奥运会做出重要贡献。早在２０００年北京市政府组织进行的“高科技申奥示范”工程中，纳米科技产品就给国际奥委会评估团留下了深刻的印象，在２００１年我国政府递交的申奥工作报告中明确承诺了将在２００８年奥运工程中积极应用纳米技术等高新技术以提高奥运工程的环保性、功能性、舒适性和安全性等。目前在国家科技部、北京市政府和奥运组委会联合开展的“科技奥运”行动中，纳米科技的应用受到了极大的重视，如纳米防伪识别技术、纳米梯度膜太阳能光伏电池等，国家科技部高科技发展计划（８６３计划）、国家科技攻关计划中均把面向奥运工程的纳米科技应用技术作为重点。
中国涂料工业协会等权威部门统计奥运工程最需要的功能涂料包括高性能的钢结构防火涂料、具有防污功能的自清洁涂料、绝热涂料、环保性交通标志涂料等。
钢结构防火涂料目前每年需求量２０ ０００ ｔａ，其中北京产量１５００ ｔａ；奥运工程８０％为钢结构，直接用量为２０ ０００ ｔ，由于奥运项目的带动，总需求量在１００ ０００ ｔ。而自清洁涂料，仅北京地区每年新增玻璃、金属幕墙面积５００万ｍ２，涂料需求５００ ｔａ，奥运场馆大量使用玻璃、金属幕墙，北京、上海、广州等地涂料需求量约为１２００ ｔａ。
１ 面向奥运工程的钢结构防火涂料
钢结构将在奥运工程中大量采用，防火涂料将是重要的配套材料。
钢材虽属不可燃烧材料，但由于钢材的热膨胀系数很高，在高温下可能造成结构的屈曲，而其良好的导热性也将助长热量的蔓延。在火灾高温下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等会随着温度的升高而降低。无防火被覆钢材在４００℃的温度下，其强度会降低到原强度的一半；当温度达６００℃时，钢材基本丧失其全部的强度，从而在火灾中变得很“软弱”。
试验结果表明，当钢材中温度在２５０℃以下时，钢的弹性模量和强度变化不大；当温度超过２５０℃时，即发生所谓的“塑性流动”，超过３００℃后，应力－应变曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台，强度、弹性模量明显减少。图１为钢材高温下强度变化的简化曲线，图中横坐标为钢材的温度ｔ，纵坐标为不同温度下钢材的屈服ｆｙｔ与２０℃下钢材的屈服强度ｆｙ２０之比ｆｙｔ/ｆｙ２０。这一曲线清楚地说明了高温下钢材强度退化这一事实。
钢结构防火目前在我国主要有防火涂料和防火板２类材料。其中防火涂料又可分为厚质涂料、薄型涂料和超薄型涂料。发泡涂料一般是指遇火后能够发泡的薄型涂料。薄型涂料和超薄型涂料主要是以树脂类材料为粘结剂的涂料，耐火极限一般小于１．５ｈ。对于耐火极限要求在１．５ｈ以上的高等级防火，一般使用厚质防火涂料。厚质防火涂料多由保温涂料演变而来，主要是依靠材料的导热系数低和具有一定的耐高温性而使其具有防火功能。这类涂料的主体隔热组分主要有膨胀珍珠岩、漂珠、硅灰、膨胀蛭石、海泡石、石棉等。由于这些材料的最高使用温度大部分在８００℃以下，其防火过程实际上是材料的破坏过程。因此使用这些厚质防火涂料其防火极限很难超过３ｈ，大部分在２．５ｈ以内。国内部分高层钢结构工程防火保护情况见表１。
厚质防火涂料虽然比薄型防火涂料具有更好的防火性，但一般外观的再装饰性较差，或再装饰的成本较高。因此有些装饰性要求较高的钢结构不得不在防火级别做出让步的条件下而使用薄型防火涂料。
在欧洲将中国列为超薄型钢结构防火涂料的品种称为Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏａｔｉｎｇ。他们认为溶剂型涂料与水基涂料的市场比例为７：３，而这３０％的水基涂料主要集中在欧美，因为欧美的环保要求比亚洲高。德国的Ｈｅｒｂｅｒｔｓ３８０３０仅达到了２．７ｍｍ，６３ｍｉｎ。而英国的Ｓ６０２也仅达到了２．６ｍｍ，７４ｍｉｎ。还有英国的Ｅｎｒｉｒｏｇｒａｆ和瑞典的Ｈｅｎｓ－ｔｈｅｒｍ公司都在中国进行过检测，其结果都不理想。目前德国的Ｐｅｒ－ｍａｔｅｘ（Ｈｅｒｂｅｒｔｓ）和英国的Ｎｕｌｌｉ－ｆｉｒｅ都在致力于水基薄膜型钢结构防火涂料（即中国的超薄型钢结构防火涂料）研究。可以预见未来将有相当一大部分的超薄型钢结构防火涂料市场会被水基超薄型钢结构防火涂料占领。超薄型钢结构防火涂料在国内的销售情况见表２。
钢结构防火涂料的基本作用是在高温下防止钢结构迅速升温并导致其力学性能迅速下降，膨胀性阻燃涂料在高温下迅速膨胀，同时释放出具有阻断燃烧反应的物质，因此涂料的粘接强度、高温强度、高温隔热性能是关键，北京首创纳米科技有限公司将使用纳米材料对阻燃涂料的３个最重要的成分进行改性和优选，从而获得优异的阻燃涂料，纳米尺度效应可以分别说明如下：
１、纳米无机－有机杂化树脂：只有纳米级的无机材料才可能与有机分子复合形成具有共价键结合的复合树脂，正是由于无机纳米材料的复合，复合树脂才可能具有耐高温、粘接强度高等特点，该技术在研究中最为关键。
２、纳米三氧化二锑、氢氧化镁等材料是经过实践证实的较好的阻燃助剂。纳米三氧化二锑、氢氧化镁等材料由于具有更好的分布结构，从而可以大大提高阻燃性能，并能制成具有装饰性的超薄涂料。
３、制备一种具有纳米级纤维结构的无机纤维，只有运用特殊的工艺才能将其制成纳米级分散体，并且只有在纳米级时才能保证其与树脂等材料的充分复合，才能使超薄涂料具有高温强度（即使在燃烧后）。
该产品研究的关键是纳米材料是否成功改性并复合成涂料。目前北京首创纳米科技有限公司已经研究开发出了厚度小于３ｍｍ、导热系数小于０．０３３ｋＷ（ｍＫ）、耐火极限为２．０ｈ的水性涂料，而且此项工作还在继续开展。
２ 面向奥运工程的自洁净功能涂料
建筑外墙的玷污问题是目前困扰产业界和技术界的一大难题，奥运工程规划中特别重视这个问题，从设计上就开始注意选用耐玷污的材料。目前有很多单位正在研究具有自洁净功能的涂料，其中采用双疏结构和双亲结构以及复合光催化技术思路的占大多数。目前已经较好地实现了用超亲水性表面结构和纳米光催化原理在玻璃、陶瓷等表面达到自清洁的效果。
在亲水表面，光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的一个电子（ｅ－）就会被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴（ｈ＋）。光生空穴有很强的氧化能力（其标准氢电极电位在１．０Ｖ～３．５Ｖ，取决于半导体的种类和ｐＨ条件），而光生电子具有很强的还原能力（其标准氢电极电位在＋０．５Ｖ～１．５Ｖ），它们可以直接复合释放出热能，也可迁移到半导体表面的不同位置，与表面的俘获位结合或与表面吸附的电子给体受体发生氧化还原反应。
空穴可以直接或间接氧化有机物，但通常情况下都认为空穴对有机物的氧化是通过羟基自由基 （·ＯＨ）间接完成的。其机理如下：
ＴｉＯ２ ＋ ｈｖ → ｅ－ ＋ ｈ＋ （１）
ｈ＋ ＋ ＯＨ－ →·ＯＨ （２）
ｅ－ ＋ Ｏ２－→·Ｏ２－ （３）
·Ｏ２－ ＋ Ｈ＋ → ＨＯ２· （４）
２ＨＯ２·－ → Ｏ２ ＋ Ｈ２ Ｏ２ （５）
当用光照射半导体表面产生电子和空穴（反应１）时，由于羟基氧化电位在半导体的价带位置以上，而且又是表面丰富物种，因此空穴在扩散过程中首先被表面羟基俘获，从而产生羟基自由基（反应２）。羟基自由基具有高度的化学活性，可以氧化包括生物难降解的各种有机物并使之矿化。在空穴被表面羟基俘获的同时，光生电子也必须与电子受体相结合，以维持半导体表面的电中性。在不外加氧化剂的条件下，水中的溶解氧可作为电子的清除剂，俘获电子产生超负氧离子·Ｏ２－（反应３），再经过反应４、５生成Ｈ２ Ｏ２。Ｈ２Ｏ２在这里有双重作用：在反应系统中·ＯＨ较少时，可作为·ＯＨ的另一个来源，提高反应速率。
采用纳米半导体粒子作为光催化剂的理论基础在于：通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；由散射的能级和跃迁选律造成光谱吸收及发射行为结构化；与体材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；纳米ＴｉＯ２所具有的量子尺寸效应使其导电和价电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得更负，而价电电位变得更正。这使其获得了更强的氧化还原能力，从而催化活性大大提高；纳米粒子比表面积大，使粒子具有强大的吸附有机物的能力，这对催化反应是十分有利的。粒径越小，电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致催化活性的提高。
目前北京首创纳米科技有限公司已基本实现在一定温度条件下激活后，制成具有一定空气净化和去除表面污垢功能的涂层。
３ 纳米孔超级绝热涂料
隔热保温材料是奥运工程中重要的建设材料，传统的含石棉保温材料已经被禁止使用，目前我国建筑保温多采用聚苯乙烯泡沫塑料或矿棉、岩棉、玻璃棉等无机纤维质材料。
根据２０００年悉尼奥运会绿色奥运监理会ＪｏＩｍｍｉｇ等在“悉尼奥林匹克设施室内空气质量指南”中指出，聚苯乙烯和聚氯乙烯泡沫塑料会缓慢向室内散发甲醛、二甲苯和甲苯、氟氯烃等ＶＯＣ物质，对室内空气质量有一定影响。而玻璃棉、矿棉、岩棉等材料在安装、使用和拆除建筑物时会产生纤维粉尘，这些硅酸盐玻璃态粉尘对人体的呼吸系统有很大影响。此外，泡沫塑料作为建筑用保温材料遇火时会释放出大量有毒有害物质。其它基本不引起污染的建筑保温材料还有膨胀珍珠制品、膨胀蛭石制品以及加气混凝土、陶粒制品、石膏制品等。这些保温材料由于导热系数较高，很难满足目前建设部和国家其它部门对建筑节能的要求。
超级绝热材料是指在预定的使用条件下其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。物理学中将传热的机理分为３种方式：（固体）热传导、热对流和热辐射。对于绝热材料而言，（固体）热传导主要由绝热材料中的固体部分来完成。热对流则主要由绝热材料中的气体来完成。热辐射的传递不需要任何介质。因此要实现超级绝热材料的目的，一是要使材料的体积密度在保持足够的机械强度的同时其体积密度要极端的小；二是要将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射通过反射、散射和吸收而降到最低。
许多研究结果表明，当材料中的气孔直径小于５０ｎｍ时，气孔内的空气分子则失去了自由流动的能力，而是相对地附着在气孔壁上，这时材料所处的状态近似于真空状态。同时由于材料内的气孔均为纳米级气孔，再加上材料本身极低的体积密度，使材料内部含有极多的反射界面与散射微粒，再加上在热辐射吸收方面对材料进行改性，可以使材料不论是在高温和常温均有低于静止空气的导热系数。
纳米孔超级绝热材料的研究在美国和欧洲各国异常活跃，日本及南朝鲜也进行了较多的研究。纳米孔超级绝热材料的概念起始于８０年代。９０年代以来，由于整体纳米技术的发展又激起了人们对纳米孔超级绝热材料的重视。由于块状纳米孔超级绝热材料制备的困难，美国及欧洲一些科技人员采用ＳｉＯ２气凝胶的粉末或颗粒置于两块面板之间，制成夹芯状的绝热制品，虽然在降低导热系数方面比传统绝热材料有较大提高，但仍然达不到超级绝热材料的理想程度，其原因是因为粉末和颗粒之间的孔隙都是些微米级甚至是毫米级孔隙。由块状透明的ＳｉＯ２气凝胶片材作芯层，上下各粘贴一层透明玻璃可以制成透光的纳米孔绝热材料，用于太阳能集热器的面板在美国已有试用。但这种制品对高温热辐射的阻隔作用较小，再加上玻璃面板所存在的各种限制，不能用于高温状态作为隔热材料。
比较实用的纳米孔高温绝热材料是美国ＮＡＳＡ Ａｍｅｓ研究中心Ｓｕｓａｎ Ｗｈｉｔｅ等开发的硅酸铝耐火纤维———ＳｉＯ２气凝胶复合块体材料。该材料以硅酸铝耐火纤维作为骨架，具有纳米孔结构的气凝胶填满耐火纤维骨架之间的孔隙。气凝胶先驱体在凝胶化过程刚刚开始还具有较好流动性时浇入耐火纤维，然后静置陈化，胶凝体强度不断增加，最后将复合体进行液态ＣＯ２超临界干燥。该材料比传统的耐火纤维的导热系数降低１倍还多。但由于耐火纤维较粗，体积密度较大，使该材料的导热系数仍不能达到超级绝热材料的理想程度。该材料已被用于制造美国航天飞机的隔热瓦，取得了良好的使用效果。从１９９８年起，硅酸铝耐火纤维已被欧共体列为二类致癌物质，因此各国科学家都在努力寻找新的解决途径。
北京首创纳米科技有限公司目前已基本掌握了硬硅钙石二次粒子的形成机理和制备亚微米直径的纤维状硬硅钙石晶体及超轻体积密度二次粒子的基本反应条件（图２）。正在进行合成纤维直径在１００ｎｍ以下的硬硅钙石纤维状晶体及二次粒子的制备研究（图３），同时进行可控纳米孔结构ＳｉＯ２气凝胶的制备研究。下一步的研究工作主要集中在硬硅钙石二次粒子与二氧化硅气凝胶的复合技术和低成本的干燥技术方面。目标是制备出纳米直径硬硅钙石纤维晶体形成的二次粒子与ＳｉＯ２超轻气凝胶进行复合，并进行降低辐射传热的改性，从而制备出能在高温条件下工作的具有低于静止空气导热系数的纳米孔超级绝热材料。
４ 水性地面及交通标志涂料
由于传统水性涂料具有硬度低、抗磨损性差等先天缺点，所以在地面涂料以及路面交通标志涂料方面目前还很难使用水性涂料。使用一些无机微粉材料作为涂料的强化相，起到了一定的效果，但是这还不可能是根本的解决办法。目前正在研究用无机纳米材料杂化复合制成的水性（水乳）树脂制备耐磨涂料。该技术工艺还不完全成熟，总体思路是利用一些纳米级的活性无机材料作为反应原料，通过有效的化学合成获得含有更多无机成分的树脂。目前已经有一些初步成果，但是还未达到实用阶段。
总之，纳米复合功能涂料是目前世界各国研究的热点，越来越多的科学家相信纳米技术在不远的将来一定会对传统涂料产业产生巨大而深远的影响。纳米涂料将是环保性、功能性和经济性的高度集中体现，并会在北京２００８年奥运工程建设中发挥重要作用。
关键词 纳米复合涂料；功能型涂料；奥运会建设．
“绿色奥运、科技奥运、人文奥运”是北京２００８年奥运会建设的三大主题，目前各项工作都正在围绕着这３个主题展开，包括纳米科技在内的高新技术将为北京奥运会做出重要贡献。早在２０００年北京市政府组织进行的“高科技申奥示范”工程中，纳米科技产品就给国际奥委会评估团留下了深刻的印象，在２００１年我国政府递交的申奥工作报告中明确承诺了将在２００８年奥运工程中积极应用纳米技术等高新技术以提高奥运工程的环保性、功能性、舒适性和安全性等。目前在国家科技部、北京市政府和奥运组委会联合开展的“科技奥运”行动中，纳米科技的应用受到了极大的重视，如纳米防伪识别技术、纳米梯度膜太阳能光伏电池等，国家科技部高科技发展计划（８６３计划）、国家科技攻关计划中均把面向奥运工程的纳米科技应用技术作为重点。
中国涂料工业协会等权威部门统计奥运工程最需要的功能涂料包括高性能的钢结构防火涂料、具有防污功能的自清洁涂料、绝热涂料、环保性交通标志涂料等。
钢结构防火涂料目前每年需求量２０ ０００ ｔａ，其中北京产量１５００ ｔａ；奥运工程８０％为钢结构，直接用量为２０ ０００ ｔ，由于奥运项目的带动，总需求量在１００ ０００ ｔ。而自清洁涂料，仅北京地区每年新增玻璃、金属幕墙面积５００万ｍ２，涂料需求５００ ｔａ，奥运场馆大量使用玻璃、金属幕墙，北京、上海、广州等地涂料需求量约为１２００ ｔａ。
１ 面向奥运工程的钢结构防火涂料
钢结构将在奥运工程中大量采用，防火涂料将是重要的配套材料。
钢材虽属不可燃烧材料，但由于钢材的热膨胀系数很高，在高温下可能造成结构的屈曲，而其良好的导热性也将助长热量的蔓延。在火灾高温下，其力学性能如屈服强度、弹性模量等会随着温度的升高而降低。无防火被覆钢材在４００℃的温度下，其强度会降低到原强度的一半；当温度达６００℃时，钢材基本丧失其全部的强度，从而在火灾中变得很“软弱”。
试验结果表明，当钢材中温度在２５０℃以下时，钢的弹性模量和强度变化不大；当温度超过２５０℃时，即发生所谓的“塑性流动”，超过３００℃后，应力－应变曲线就没有明显的屈服极限和屈服平台，强度、弹性模量明显减少。图１为钢材高温下强度变化的简化曲线，图中横坐标为钢材的温度ｔ，纵坐标为不同温度下钢材的屈服ｆｙｔ与２０℃下钢材的屈服强度ｆｙ２０之比ｆｙｔ/ｆｙ２０。这一曲线清楚地说明了高温下钢材强度退化这一事实。
钢结构防火目前在我国主要有防火涂料和防火板２类材料。其中防火涂料又可分为厚质涂料、薄型涂料和超薄型涂料。发泡涂料一般是指遇火后能够发泡的薄型涂料。薄型涂料和超薄型涂料主要是以树脂类材料为粘结剂的涂料，耐火极限一般小于１．５ｈ。对于耐火极限要求在１．５ｈ以上的高等级防火，一般使用厚质防火涂料。厚质防火涂料多由保温涂料演变而来，主要是依靠材料的导热系数低和具有一定的耐高温性而使其具有防火功能。这类涂料的主体隔热组分主要有膨胀珍珠岩、漂珠、硅灰、膨胀蛭石、海泡石、石棉等。由于这些材料的最高使用温度大部分在８００℃以下，其防火过程实际上是材料的破坏过程。因此使用这些厚质防火涂料其防火极限很难超过３ｈ，大部分在２．５ｈ以内。国内部分高层钢结构工程防火保护情况见表１。
厚质防火涂料虽然比薄型防火涂料具有更好的防火性，但一般外观的再装饰性较差，或再装饰的成本较高。因此有些装饰性要求较高的钢结构不得不在防火级别做出让步的条件下而使用薄型防火涂料。
在欧洲将中国列为超薄型钢结构防火涂料的品种称为Ｔｈｉｎ－Ｆｉｌｍ Ｓｔｅｅｌ Ｃｏａｔｉｎｇ。他们认为溶剂型涂料与水基涂料的市场比例为７：３，而这３０％的水基涂料主要集中在欧美，因为欧美的环保要求比亚洲高。德国的Ｈｅｒｂｅｒｔｓ３８０３０仅达到了２．７ｍｍ，６３ｍｉｎ。而英国的Ｓ６０２也仅达到了２．６ｍｍ，７４ｍｉｎ。还有英国的Ｅｎｒｉｒｏｇｒａｆ和瑞典的Ｈｅｎｓ－ｔｈｅｒｍ公司都在中国进行过检测，其结果都不理想。目前德国的Ｐｅｒ－ｍａｔｅｘ（Ｈｅｒｂｅｒｔｓ）和英国的Ｎｕｌｌｉ－ｆｉｒｅ都在致力于水基薄膜型钢结构防火涂料（即中国的超薄型钢结构防火涂料）研究。可以预见未来将有相当一大部分的超薄型钢结构防火涂料市场会被水基超薄型钢结构防火涂料占领。超薄型钢结构防火涂料在国内的销售情况见表２。
钢结构防火涂料的基本作用是在高温下防止钢结构迅速升温并导致其力学性能迅速下降，膨胀性阻燃涂料在高温下迅速膨胀，同时释放出具有阻断燃烧反应的物质，因此涂料的粘接强度、高温强度、高温隔热性能是关键，北京首创纳米科技有限公司将使用纳米材料对阻燃涂料的３个最重要的成分进行改性和优选，从而获得优异的阻燃涂料，纳米尺度效应可以分别说明如下：
１、纳米无机－有机杂化树脂：只有纳米级的无机材料才可能与有机分子复合形成具有共价键结合的复合树脂，正是由于无机纳米材料的复合，复合树脂才可能具有耐高温、粘接强度高等特点，该技术在研究中最为关键。
２、纳米三氧化二锑、氢氧化镁等材料是经过实践证实的较好的阻燃助剂。纳米三氧化二锑、氢氧化镁等材料由于具有更好的分布结构，从而可以大大提高阻燃性能，并能制成具有装饰性的超薄涂料。
３、制备一种具有纳米级纤维结构的无机纤维，只有运用特殊的工艺才能将其制成纳米级分散体，并且只有在纳米级时才能保证其与树脂等材料的充分复合，才能使超薄涂料具有高温强度（即使在燃烧后）。
该产品研究的关键是纳米材料是否成功改性并复合成涂料。目前北京首创纳米科技有限公司已经研究开发出了厚度小于３ｍｍ、导热系数小于０．０３３ｋＷ（ｍＫ）、耐火极限为２．０ｈ的水性涂料，而且此项工作还在继续开展。
２ 面向奥运工程的自洁净功能涂料
建筑外墙的玷污问题是目前困扰产业界和技术界的一大难题，奥运工程规划中特别重视这个问题，从设计上就开始注意选用耐玷污的材料。目前有很多单位正在研究具有自洁净功能的涂料，其中采用双疏结构和双亲结构以及复合光催化技术思路的占大多数。目前已经较好地实现了用超亲水性表面结构和纳米光催化原理在玻璃、陶瓷等表面达到自清洁的效果。
在亲水表面，光照下，如果光子的能量大于半导体禁带宽度，其价带上的一个电子（ｅ－）就会被激发，越过禁带进入导带，同时在价带上产生相应的空穴（ｈ＋）。光生空穴有很强的氧化能力（其标准氢电极电位在１．０Ｖ～３．５Ｖ，取决于半导体的种类和ｐＨ条件），而光生电子具有很强的还原能力（其标准氢电极电位在＋０．５Ｖ～１．５Ｖ），它们可以直接复合释放出热能，也可迁移到半导体表面的不同位置，与表面的俘获位结合或与表面吸附的电子给体受体发生氧化还原反应。
空穴可以直接或间接氧化有机物，但通常情况下都认为空穴对有机物的氧化是通过羟基自由基 （·ＯＨ）间接完成的。其机理如下：
ＴｉＯ２ ＋ ｈｖ → ｅ－ ＋ ｈ＋ （１）
ｈ＋ ＋ ＯＨ－ →·ＯＨ （２）
ｅ－ ＋ Ｏ２－→·Ｏ２－ （３）
·Ｏ２－ ＋ Ｈ＋ → ＨＯ２· （４）
２ＨＯ２·－ → Ｏ２ ＋ Ｈ２ Ｏ２ （５）
当用光照射半导体表面产生电子和空穴（反应１）时，由于羟基氧化电位在半导体的价带位置以上，而且又是表面丰富物种，因此空穴在扩散过程中首先被表面羟基俘获，从而产生羟基自由基（反应２）。羟基自由基具有高度的化学活性，可以氧化包括生物难降解的各种有机物并使之矿化。在空穴被表面羟基俘获的同时，光生电子也必须与电子受体相结合，以维持半导体表面的电中性。在不外加氧化剂的条件下，水中的溶解氧可作为电子的清除剂，俘获电子产生超负氧离子·Ｏ２－（反应３），再经过反应４、５生成Ｈ２ Ｏ２。Ｈ２Ｏ２在这里有双重作用：在反应系统中·ＯＨ较少时，可作为·ＯＨ的另一个来源，提高反应速率。
采用纳米半导体粒子作为光催化剂的理论基础在于：通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；由散射的能级和跃迁选律造成光谱吸收及发射行为结构化；与体材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；纳米ＴｉＯ２所具有的量子尺寸效应使其导电和价电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得更负，而价电电位变得更正。这使其获得了更强的氧化还原能力，从而催化活性大大提高；纳米粒子比表面积大，使粒子具有强大的吸附有机物的能力，这对催化反应是十分有利的。粒径越小，电子与空穴复合几率越小，电荷分离效果越好，从而导致催化活性的提高。
目前北京首创纳米科技有限公司已基本实现在一定温度条件下激活后，制成具有一定空气净化和去除表面污垢功能的涂层。
３ 纳米孔超级绝热涂料
隔热保温材料是奥运工程中重要的建设材料，传统的含石棉保温材料已经被禁止使用，目前我国建筑保温多采用聚苯乙烯泡沫塑料或矿棉、岩棉、玻璃棉等无机纤维质材料。
根据２０００年悉尼奥运会绿色奥运监理会ＪｏＩｍｍｉｇ等在“悉尼奥林匹克设施室内空气质量指南”中指出，聚苯乙烯和聚氯乙烯泡沫塑料会缓慢向室内散发甲醛、二甲苯和甲苯、氟氯烃等ＶＯＣ物质，对室内空气质量有一定影响。而玻璃棉、矿棉、岩棉等材料在安装、使用和拆除建筑物时会产生纤维粉尘，这些硅酸盐玻璃态粉尘对人体的呼吸系统有很大影响。此外，泡沫塑料作为建筑用保温材料遇火时会释放出大量有毒有害物质。其它基本不引起污染的建筑保温材料还有膨胀珍珠制品、膨胀蛭石制品以及加气混凝土、陶粒制品、石膏制品等。这些保温材料由于导热系数较高，很难满足目前建设部和国家其它部门对建筑节能的要求。
超级绝热材料是指在预定的使用条件下其导热系数低于“无对流空气”导热系数的绝热材料。物理学中将传热的机理分为３种方式：（固体）热传导、热对流和热辐射。对于绝热材料而言，（固体）热传导主要由绝热材料中的固体部分来完成。热对流则主要由绝热材料中的气体来完成。热辐射的传递不需要任何介质。因此要实现超级绝热材料的目的，一是要使材料的体积密度在保持足够的机械强度的同时其体积密度要极端的小；二是要将空气的对流减弱到极限；三是要通过近于无穷多的界面和通过材料的改性使热辐射通过反射、散射和吸收而降到最低。
许多研究结果表明，当材料中的气孔直径小于５０ｎｍ时，气孔内的空气分子则失去了自由流动的能力，而是相对地附着在气孔壁上，这时材料所处的状态近似于真空状态。同时由于材料内的气孔均为纳米级气孔，再加上材料本身极低的体积密度，使材料内部含有极多的反射界面与散射微粒，再加上在热辐射吸收方面对材料进行改性，可以使材料不论是在高温和常温均有低于静止空气的导热系数。
纳米孔超级绝热材料的研究在美国和欧洲各国异常活跃，日本及南朝鲜也进行了较多的研究。纳米孔超级绝热材料的概念起始于８０年代。９０年代以来，由于整体纳米技术的发展又激起了人们对纳米孔超级绝热材料的重视。由于块状纳米孔超级绝热材料制备的困难，美国及欧洲一些科技人员采用ＳｉＯ２气凝胶的粉末或颗粒置于两块面板之间，制成夹芯状的绝热制品，虽然在降低导热系数方面比传统绝热材料有较大提高，但仍然达不到超级绝热材料的理想程度，其原因是因为粉末和颗粒之间的孔隙都是些微米级甚至是毫米级孔隙。由块状透明的ＳｉＯ２气凝胶片材作芯层，上下各粘贴一层透明玻璃可以制成透光的纳米孔绝热材料，用于太阳能集热器的面板在美国已有试用。但这种制品对高温热辐射的阻隔作用较小，再加上玻璃面板所存在的各种限制，不能用于高温状态作为隔热材料。
比较实用的纳米孔高温绝热材料是美国ＮＡＳＡ Ａｍｅｓ研究中心Ｓｕｓａｎ Ｗｈｉｔｅ等开发的硅酸铝耐火纤维———ＳｉＯ２气凝胶复合块体材料。该材料以硅酸铝耐火纤维作为骨架，具有纳米孔结构的气凝胶填满耐火纤维骨架之间的孔隙。气凝胶先驱体在凝胶化过程刚刚开始还具有较好流动性时浇入耐火纤维，然后静置陈化，胶凝体强度不断增加，最后将复合体进行液态ＣＯ２超临界干燥。该材料比传统的耐火纤维的导热系数降低１倍还多。但由于耐火纤维较粗，体积密度较大，使该材料的导热系数仍不能达到超级绝热材料的理想程度。该材料已被用于制造美国航天飞机的隔热瓦，取得了良好的使用效果。从１９９８年起，硅酸铝耐火纤维已被欧共体列为二类致癌物质，因此各国科学家都在努力寻找新的解决途径。
北京首创纳米科技有限公司目前已基本掌握了硬硅钙石二次粒子的形成机理和制备亚微米直径的纤维状硬硅钙石晶体及超轻体积密度二次粒子的基本反应条件（图２）。正在进行合成纤维直径在１００ｎｍ以下的硬硅钙石纤维状晶体及二次粒子的制备研究（图３），同时进行可控纳米孔结构ＳｉＯ２气凝胶的制备研究。下一步的研究工作主要集中在硬硅钙石二次粒子与二氧化硅气凝胶的复合技术和低成本的干燥技术方面。目标是制备出纳米直径硬硅钙石纤维晶体形成的二次粒子与ＳｉＯ２超轻气凝胶进行复合，并进行降低辐射传热的改性，从而制备出能在高温条件下工作的具有低于静止空气导热系数的纳米孔超级绝热材料。
４ 水性地面及交通标志涂料
由于传统水性涂料具有硬度低、抗磨损性差等先天缺点，所以在地面涂料以及路面交通标志涂料方面目前还很难使用水性涂料。使用一些无机微粉材料作为涂料的强化相，起到了一定的效果，但是这还不可能是根本的解决办法。目前正在研究用无机纳米材料杂化复合制成的水性（水乳）树脂制备耐磨涂料。该技术工艺还不完全成熟，总体思路是利用一些纳米级的活性无机材料作为反应原料，通过有效的化学合成获得含有更多无机成分的树脂。目前已经有一些初步成果，但是还未达到实用阶段。
总之，纳米复合功能涂料是目前世界各国研究的热点，越来越多的科学家相信纳米技术在不远的将来一定会对传统涂料产业产生巨大而深远的影响。纳米涂料将是环保性、功能性和经济性的高度集中体现，并会在北京２００８年奥运工程建设中发挥重要作用。