二氧化钛材料介绍
二氧化钛光催化特性的研究历史及应用前景
二氧化钛具有独特的光物理和光化学性质，在光学材料、光电化学和光电池、光催化降解有机物治理环境污染等方面具有广泛的应用前景。在20世纪六七十年代到九十年代二氧化钛的研究集中于二氧化钛半导体的研究，随着九十年代纳米材料科学的兴起，因纳米粒子的量子尺寸效应、表面效应等使得二氧化钛纳米材料的结构和性质与常规的二氧化钛材料存在巨大差异而受到科学家的广泛关注，成为研究热点。本文将介绍二氧化钛光催化的研究历史目前的进展以及其应用前景。
二氧化钛光催化特性的发现
早期的二氧化钛粉末因其出色的白度、低廉的价格以及无毒、稳定的特性被广泛应用为白色染料。但是它的稳定性是有一定限制的，只是在较暗的条件下是完全稳定的。虽然其在可见光波段不发生吸收的特性给予了其完美的白度，但是它能在紫外光下吸收光子，在其表面发生光化学反应，这一点很早就被二氧化钛颜料在阳光下剥落所表明，目前的钛白颜料正在以各种方式进行改进。[1]对于二氧化钛光催化特性的科学研究始于20世纪早期，研究的早期科学家们研究了各种不同的固体材料的光敏感性，比如C. F. Goodeve1938年的工作已经探讨了固体氧化物的光敏感特性的机理。[2]虽然二氧化钛证明在反应前后没有变化，但是这时这类的氧化物只是被称为光敏化剂，光催化的术语还未出现。一直到20世纪60年代后期，二氧化钛的光催化特性才引起更多科学家的关注，1972年，当时刚从东京大学获得博士学位的科学家Akira Fujishima在Nature杂志上发表文章，这一研究工作是其自20世纪60年代后期开始从事的，文章阐述了发现金红石型二氧化钛n-半导体材料紫外光照射下无外加电流可以分解水，产生氢气。[3]这篇文章被认为是拉开了二氧化钛光催化的研究兴起序幕。
20世纪80年代的研究
70年代所发现的二氧化钛催化光解水的现象，不需要外加电流，类似于金属的腐蚀，由两个电极，通常以锐钛矿型二氧化钛粉末悬浮液为阳极，用镀有Pt的二氧化钛阴极电极进行研究，但是几乎没有实验能在粉末体系中得到氢气和氧气。1980年，Kawai和Sakata的研究工作得到了粉末体系中不能得到氢气和氧气的原因，他们的结论是因为在粉末体系中产物彼此的距离太近，氢气和氧气可能重新结合为水分子。为解决这一问题，他们向悬浮的二氧化钛水溶液中加入了易被氧化的有机物，这样水制得氢气的同时有机物被氧化，氢气的产率显著提高。在乙醇中实验的量子选率达到50%。[4]大多数的有机物，包括各种生物代谢产物都能用于提高氢气产量，这是因为二氧化钛的光至空穴的氧化还原电位+2.53V使得大多数有机物能最终被氧化为二氧化碳。而且产率也受到二氧化钛晶型的制约，锐钛矿的产率好于金红石，主要的原因可能是前者具有更高的光电子还原电势，[5]而二氧化钛的另一种晶型板钛矿型无催化活性。[6] 80年代的原油价格已在不断的上升之中，因此当看到有如此简单易行的制备氢气的方法时，很多科学家的目光都被二氧化钛的应用前景所吸引而进行研究。但是二氧化钛的紫外光吸收的效率却仅有3%，又有人转而研究其他的低禁带宽的化合物像CdS和CdSe，但是他们的效率和稳定性还不如二氧化钛，因此在80年代中期利用二氧化钛制备氢气的研究就几乎停止了。但是关于二氧化钛的另一方面的研究却一直延续，这一方面是环境污染的治理。有关二氧化钛应用于环境污染治理的报道现在能查到的是1977年Frank的关于用二氧化钛光催化
降解氰化物的研究。[7]20世纪80年代的十年不断的有各种各样的有毒有害的有机化合物在研究中发现可以用二氧化钛进行光催化分解。[8]这时氢气的产率显得无关紧要，因此完全可以直接使用二氧化钛粉末，在二氧化钛的表面形成的空穴可以活化水中或空气中的氧，形成具有活性的氧类物质。进而氧化有机物。
在80年代出现了二氧化钛薄膜，能检索到得最早的文献是Matthews在1987年发表在JPC上的工作，二氧化钛粉末附载在玻璃管表面。[9]这样做的目的是为了使得催化剂的处理更加简便，而分散于溶液中的催化剂不易分离和重新使用。
20世纪90年代的研究
注意到二氧化钛可以附载在固体材料的表面，虽然这一催化剂由于效率不高而暂时无法应用于实际的工程技术上，但是上文提到的首先发现二氧化钛催化光解水的日本科学家Akira Fujishima意识到是否可以用于材料表面的自洁净，因为虽然效率不高但是用于处理生活中少量的有机杂质和水分的材料表面洁净是合适的。因此他与日本东陶公司合作制作这种材料，在镀有二氧化钛的物质表面涂上一层2纳米厚的有机杂质在类似自然环境下的紫外光下照射20分钟后，有机层消失。另外美国的科学家Heller也独立的发展了这一材料。[10]这一材料已在日本的一个隧道的灯泡上使用，以防止废气的污染使亮度下降，据Akira Fujishima说效果良好。
光催化的抗菌效果：自1985年Matsunaga第一次报道利用Pt／Ti0
2
光催化材料杀灭微生物以来，科学家对二氧化钛光催化作用于各种微生物进行了广泛研究，发现其对病毒、细菌、真菌、藻类和癌症细胞等都有很好的杀菌作用。其抗菌过程简单描述为：二氧化钛在大于禁带宽度能量的光激发下，产生的空穴／电子对与环境中氧气及水发生作用，产生的活性氧等自由基与细胞中的有机物分子发生化学反应，进而分解细胞并达到抗菌目的。此外，这些活性氧基团不仅能迅速、彻底杀灭细菌，还能降解内毒素等细胞裂解产物、其它有机物及化学污染物，使之完全矿化，具有其它抗菌剂不可比拟的优点。也在二氧化钛中掺杂过渡金属离子以提高抗菌的效果，[11]2003年公布的Sunada的研究集中注意到了铜离子掺杂的二氧化钛薄膜的光催化抗菌的效果很好，只需要极弱的紫外光照射(1μW/cm2)就可以实现抗菌的效果，掺杂主要是为了在二氧化钛中引入捕获电子和空穴的缺陷，阻止其复合。[12]
21世纪以来的主要研究
设计二氧化钛纳米薄膜的表面是其具有超亲水性。研究认为．在光照条件下．二氧化钛表面的超亲水起因于其表面结构的变化：在紫外光照射条件下，二氧化钛价带电于被激发到导带．电子和空穴向二氧化钛表面迁移，在表面生成电于空穴对．电子与Ti4+反应，空穴则与表面桥氧离子反应，分别形成正三价的钛离于和氧空位。此时，空气中的水解离吸附在氧空位中，成为化学吸附水(表面羟基)，化学吸附水可进一步吸附空气中的水分，形成物理吸附层，即在Ti3+缺陷周围形成高度亲水的微区．而表面剩余区域仍保持疏水性，这样就在二氧化钛表面构成了均匀分布的纳米尺寸分离的亲水与疏水微区，类似于二维毛细现象。由于水或油性液滴尺寸远远大于亲水或疏水区域面积，故宏观上二氧化钛表面表现出亲水和疏水特性。[13]由于超亲水性使得二氧化钛的表面的自净能力提高并
拥有防露、防雾的特性而受到关注，提高超亲水性的方法主要有制备Ti0
2一Si0
2
复合膜，增强表面能氢键构成。[14]1999年Akira Fujishima小组的研究表明不同二氧化钛的不同单晶表面有不同的亲水性，比如100和110表面亲水性明显强
于001表面，[15]前后为了获得合适的单晶表面，Nakato对此进行了研究，对二氧化钛的单晶表面进行了光刻，获得了有纳米孔洞的二氧化钛，它的亲水性明显提高。[16]
合成对可见光敏感的二氧化钛粉末，其中一种方法是掺杂Cr，Fe或Ni 等过渡金属，[17, 18]另一种方法是在晶体中造成氧原子的缺陷，类似于在二氧化钛的掺入了三价的钛原子。[19]2003年时也出现了研究氮掺杂的二氧化钛粉末，这类研究在当时似乎很受关注，找到的文献也很多。[20-22]为什么氮掺杂的二氧化钛具有可见光活性仍是有争议的问题，氮掺杂二氧化钛的可见光活性机制可能因其制备方法的不同而存在差异；氮掺杂对二氧化钛带隙结构的改变以及由此产生的氧空位，可能都是其产生可见光活性的原因；氧空位是载流子复合中心还是可见光活性中心，可能与氧空位的密度有关。[23]
二氧化钛纳米薄膜材料光催化特性的主要应用前景
二氧化钛的纳米薄膜材料光催化特性主要的应用是在日常生活中的材料的自洁净和太阳能发电，这部分的应用在前面已有所提及，并且这方面的研究已经部分的产业化，技术应该说已经比较成熟。而太阳能电池目前并未产业化，主要是受薄膜面积和比表面积的限制，但是他有着非凡的应用前景，下面就介绍一下这方面的研究。
随着全球气候的暖化和化石能源的逐渐耗尽，人们开始把目光转向可再生能源的发展，作为世界上最干净的能源的太阳能自然被寄予厚望。但是，有报道称，现在的以单晶硅为主要材料的太阳能电池，它本身在制备时所消耗的能量就是很大的能量，成本也不低。而二氧化钛纳米材料在这一方面较大的优势，它的价格较为低廉，制备也比较方便，即使废弃也对环境无害。如前所述，研究中人们发现二氧化钛薄膜是宽禁带半导体，只能吸收紫外光，不能吸收太阳光中占大部分的可见光，捕获太阳光的能力非常差。1991年时瑞士的科学家Gratzel第一次提出了染料敏化电池，它以了纳米二氧化钛多孔膜作为半导体电极，以Ru及Os 等有机金属化合物作为光敏化染料。[24]其作用机理是染料分子吸收太阳光能量，染料分子中的电子受激发，跃迁到激发态．当染料分子的激发态能级高于半导体的导带能级，且二者能级匹配时，激发态的染料就会将电子陕速注人到二氧化钛导带中，并通过二氧化钛膜传输到膜与导电玻璃的接触面上，并在导电基片上富集，通过外电路流向对电极。经过20年的发展，研究人员发展了不同的薄膜制备方法和各样的染料，染料目前大致分为3类：有钌吡啶有机金属配合物[25]、酞菁和菁类系列染料和天然染料，而制备方法上主要有溶胶凝胶法[24]、阳极氧化法[26]、溅射物理沉积法[27]。
结语
对于二氧化钛的研究时间并不算太久远，但是它的各样的特殊性质却吸引我们不断的进行探索，短短的近40年的时间，对于二氧化钛的研究不仅有实际生活中的应用，也推进了我们对物质结构和半导体物质的更深入的了解。我相信在不久的将来，我们能看见二氧化钛作为优良的材料进入实际生活。而我更希望在各种各样的应用的背后有着强大的理论体系作为支撑，我们应该明白怎么去合理的使用像二氧化钛这些材料，更应该清楚为什么可以这样来用。
参考文献(Reference)：
1. 许红, 二氧化钛颜料光泽和耐久性的改进, in 国家化工行业生产力促进中心钛白分中心
2006年会员大会论文集. 2006.
2. Goodeve, C.F. and J.A. Kitchener, The mechanism of photosensitisation by solids. Transactions
of the Faraday Society, 1938. 34(2): p. 0902-0908.
3. Fujishima, A. and K. Honda, ELECTROCHEMICAL PHOTOLYSIS OF WATER AT A
SEMICONDUCTOR ELECTRODE. Nature, 1972. 238(5358): p. 37-+.
4. Kawai, T. and T. Sakata, CONVERSION OF CARBOHYDRATE INTO HYDROGEN FUEL BY A
PHOTOCATALYTIC PROCESS. Nature, 1980. 286(5772): p. 474-476.
5. Kavan, L., et al., Electrochemical and Photoelectrochemical Investigation of Single-Crystal
Anatase. Journal of the American Chemical Society, 1996. 118(28): p. 6716-6723.
6. 郭洪蕾, 光催化活性TiO2薄膜的研究进展.电子元件与材料, 2006. 25(3): p. 4.
7. Frank, S.N. and A.J. Bard, HETEROGENEOUS PHOTOCATALYTIC OXIDATION OF CYANIDE ION IN
AQUEOUS-SOLUTIONS AT TIO2 POWDER.Journal of the American Chemical Society, 1977.
99(1): p. 303-304.
8. Fox, M.A., The photoexcited states of organic anions.Chemical Reviews, 1979. 79(3): p.
253-273.
9. Matthews, R.W., Photooxidation of organic impurities in water using thin films of titanium
dioxide. The Journal of Physical Chemistry, 1987. 91(12): p. 3328-3333.
10. Heller, A., Chemistry and Applications of Photocatalytic Oxidation of Thin Organic Films.
Accounts of Chemical Research, 1995. 28(12): p. 503-508.
11. 赵芙蓉, 二氧化钛基光催化抗菌材料的研究进展.材料导报, 2005. 19(11): p. 4.
12. Sunada, K., T. Watanabe, and K. Hashimoto, Bactericidal Activity of Copper-Deposited TiO2
Thin Film under Weak UV Light Illumination.Environmental Science & Technology, 2003.
37(20): p. 4785-4789.
13. Wang, R., et al., Light-induced amphiphilic surfaces. Nature, 1997. 388(6641): p. 431-432.
14. TiO2 表面超亲水性.材料导报, 2000. 14(7): p. 3.
15. Wang, R., et al., Studies of Surface Wettability Conversion on TiO2 Single-Crystal Surfaces. The
Journal of Physical Chemistry B, 1999. 103(12): p. 2188-2194.
16. Tsujiko, A., et al., Selective Formation of Nanoholes with (100)-Face Walls by Photoetching of
n-TiO2 (Rutile) Electrodes, Accompanied by Increases in Water-Oxidation Photocurrent.The Journal of Physical Chemistry B, 2000. 104(20): p. 4873-4879.
17. Borgarello, E., et al., Visible light induced water cleavage in colloidal solutions of
chromium-doped titanium dioxide particles. Journal of the American Chemical Society, 1982.
104(11): p. 2996-3002.
18. Yamashita, H., et al., Characterization of metal ion-implanted titanium oxide photocatalysts
operating under visible light irradiation.Journal of Synchrotron Radiation, 1999. 6: p.
451-452.
19. Nakamura, I., et al., Role of oxygen vacancy in the plasma-treated TiO2 photocatalyst with
visible light activity for NO removal.Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 2000.
161(1-2): p. 205-212.
20. Irie, H., Y. Watanabe, and K. Hashimoto, Nitrogen-Concentration Dependence on
Photocatalytic Activity of TiO2-xNx Powders.The Journal of Physical Chemistry B, 2003.
107(23): p. 5483-5486.
21. Yin, S., et al., Preparation of nitrogen-doped titania with high visible light induced
photocatalytic activity by mechanochemical reaction of titania and hexamethylenetetramine.
Journal of Materials Chemistry, 2003. 13(12): p. 2996-3001.
22. Lindgren, T., et al., Photoelectrochemical and optical properties of nitrogen doped titanium
dioxide films prepared by reactive DC magnetron sputtering. Journal of Physical Chemistry B, 2003. 107(24): p. 5709-5716.
23. 方晓明, 具可见光活性的氮掺杂二氧化钛光催化剂.化学进展, 2007. 19(9): p. 9.
24. Oregan, B. and M. Gratzel, A LOW-COST, HIGH-EFFICIENCY SOLAR-CELL BASED ON
DYE-SENSITIZED COLLOIDAL TIO2 FILMS. Nature, 1991. 353(6346): p. 737-740.
25. Huber, R., et al., Observation of photoinduced electron transfer in dye/semiconductor colloidal
systems with different coupling strengths. Chemical Physics, 2002. 285(1): p. 39-45.
26. Kavan, L., et al., QUANTUM-SIZE EFFECTS IN NANOCRYSTALLINE SEMICONDUCTING TIO2
LAYERS PREPARED BY ANODIC OXIDATIVE HYDROLYSIS OF TICL3. Journal of Physical Chemistry, 1993. 97(37): p. 9493-9498.
27. 蓝鼎, TiO2薄膜的制备方法及其对染料敏化太阳电池性能的影响.感光科学与光化学,
2003. 21(4): p. 11.
TiO2半导体纳米材料
材料学《第二课堂》课程论文题目：TiO2半导体纳米材料姓名： 学号：
目录 1. 课程设计的目的 (1) 2. 课程设计题目描述和要求 (1) 3. 课程设计报告内容 (1) 3.1 TiO2半导体纳米材料的特性 (1) 3.2 TiO2半导体纳米材料的制备方法 (3) 3.3 TiO2半导体纳米材料的表征手段 (3) 3.4 TiO2半导体纳米材料的发展现状与趋势 (4) 4. 结论 (5)
1.课程设计的目的 本课程论文的主要目的是论述TiO2半导体纳米材料，通过简要概述TiO2半导体纳米材料的特性、制备方法、表征手段及发展现状与趋势等相关方面的内容。通过这次课设，了解TiO2半导体纳米材料，巩固课堂上所学的有关纳米材料的有关知识，提高自己应用所学知识和技能解决实际问题的能力。 2．课程设计的题目描述及要求 课程设计的题目：TiO2半导体纳米材料 TiO2半导体纳米材料由于它具有不同于体材料的光学非线性和发光性质,在未来光开关、光存储、光快速转换和超高速处理等方面具有巨大的应用前景。本文就TiO2半导体纳米材料的主要制备方法与表征手段做一全面总结。 3.课程设计报告内容 3．1 TiO2半导体纳米材料的特性 1、光学特性 TiO2半导体纳米粒子(1～ 100 nm ) [2]由于存在着显著的量子尺寸效应, 因此它们的光物理和光化学性质迅速成为目前最活跃的研究领域之一, 其中TiO2半导体纳米粒子所具有的超快速的光学非线性响应及(室温) 光致发光等特性倍受世人瞩目。通常当半导体粒子尺寸与其激子玻尔半径相近时, 随着粒子尺寸的减小, 半导体粒子的有效带隙增加, 其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移, 从而在能带中形成一系列分立的能级[1]。 2、光电催化特性 1）TiO2半导体纳米粒子优异的光电催化活性 近年来, 对纳米TiO2半导体粒子研究表明: 纳米粒子的光催化活性均明显优于相应的体相材料。我们认为这主要由以下原因所致: ①TiO2半导体纳米粒子所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级, 能隙变宽, 导带电位变得更负, 而价带电位变得更正。[1]这意味着TiO2半导体纳米粒子获得了更强的还原及氧化能力, 从而催化活性随尺寸量子化程度的提高而提高[5]。 ②对于TiO2半导体纳米粒子而言, 其粒径通常小于空间电荷层的厚度, 在离开粒子中心L距离处的势垒高度可以表述为[1]: 公式（1） 这里LD是半导体的Debye 长度, 在此情况下, 空间电荷层的任何影响都可忽略, 光生载流子可通过简单的扩散从粒子内部迁移到粒子表面而与电子给体或受体发生还原或氧化反应。计算表明: 在粒径为1Lm 的T iO 2 粒子中, 电子从体内扩散到表面的时间约为100n s, 而在粒径为10 nm 的微粒中只有10 p s。因此粒
纳米材料与技术思考题2016
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
纳米材料的发展及应用
课程名称：化工新材料概论姓名：邓元顺 学号：1208110201 专业：化学工程与工艺班级：化工122
浅析纳米材料的发展及应用 摘要：纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料， 其中米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1-100nm）限制的各种固体超细材料。【2】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的重要作用和应用前景。 Abstract：Nanometer material is the abbreviation of nano structured materials.The narrow sense refers to the solid material of nano particles, in which the size of the meter particles is not more than 100nm. Generalized refers to a variety of solid ultrafine materials which are limited by nano scale (1-100nm) in the one-dimensional direction at least in one dimension.. Nanotechnology is the most promising technology in the world today. Nano materials in mechanics, magnetism, electricity, heat, optics and life and so on the important role and the application prospect. 关键词：纳米材料纳米技术发展应用 前言：纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构，只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。在工程方面，纳米材料80年代初发展起来的，纳米材料其粒径范围在1—100nm之间，故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破；我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目。【1】美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心” 一、纳米材料的发展史 1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言：“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”
纳米二氧化钛的制备方法及形貌特征
纳米二氧化钛的制备方法及形貌特征 盛丽雯重庆交通大学应用化学08300221 摘要：纳米二氧化钛以其优异的性能成为半导体光催化剂的杰出代表，探寻优良的二氧化钛制备工艺有着重要的现实意义。本文主要介绍了近年来国内外纳米二氧化钛制备工艺的研究状况，根据反应体系的物理形态将制备工艺分成气相、液相、固相三大类进行阐述，在此基础上分析比较了不同制备工艺的优缺点，最后展望了今后的发展方向。 关键词：纳米二氧化钛、制备方法、形貌特征。 1 纳米二氧化钛的制备方法 1．1 气相法 气相水解法利用氮气、氧气或空气作载气，把TiC1 或钛醇盐蒸气和水蒸气分别导人反应器，进行瞬间混合快速水解反应。通过改变各种气体的停留时间、浓度、流速以及反应温度等来调节纳米TiO的晶型和粒径。该方法制得的产品纯度高、分散性好、表面活性大，操作温度较低，能耗小，且对材质纯度要求不是很高，可实现连续生产；但控制过程复杂，并且直接影响着产品的晶型和粒径。气相氧化法是以TiC1 为原料，氧气为氧源，氮气作为载气的氧化反应，反应经气、固分离后制得纳米TiO：。该法制得的产品纯度高、分散性好；但设备结构复杂，材料要求耐高温、耐腐蚀，自动化程度高，研究开发难度大。气相氢氧火焰法以TiC1 ，H2，O：为原料，将TiC1 气体在氢氧焰中(700～1 000℃)高温水解制得纳米TiO。产品一般是锐钛型和金红石型的混晶型，产品纯度高、粒径小、表面活性大、分散性好、团聚程度较小，自动化程度高；但所需温度高，对设备材质要求较高，对工艺参数控制要求精确。气相热解法以TiC1 为原料，在真空或原料惰性气氛下加热至所需温度后，导入反应气体，使之发生热分解反应，最后在反应区沉积出纳米TiO。产品化学活性高、分散性好，可以通过控制反应气体的浓度和炉温来控制纳米TiO的粒径分布；但投资大、成本高。 1．2 液相法 溶胶一凝胶法以钛醇盐Ti(OR) 为原料，经水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，再经低温干燥、烧结处理即可得到纳米TiO粒子。该法制得的产品纯度高、粒径小、尺寸均匀、干燥后颗粒自身的烧结温度低；但原料价格昂贵、生产成本高，凝胶颗粒之间烧结性差，产物干燥时收缩大。化学沉淀法将沉淀剂加入TiOSO，H TiO，或TiC1 溶液中，沉淀后进行热处理。该法工艺过程简单，易工业化，但易引入杂质，粒度不易控制，产物损失多。水解法以四氯化钛或钛醇盐为原料，经水解、中和、洗涤、烘干和焙烧制得纳米TiO。该法制得的产品纯度高、粒径均匀；但水解速度快、反应难控制、成本大、能耗高、难以工业化生产。水热法以TiOSO，TiC14或Ti(OR)4为原料，高温高压下在水溶液中合成纳米TiO。该法制得的产品纯度高、粒径分布窄、晶型好；但对设备要求高、能耗较大、操作复杂、成本偏高。在综合对比研究了纳米二氧化钛的各种制备方法后，提出了利用偏钛酸原料廉价易得的特点，简化工艺过程，采用化学沉淀法来制备纳米TiO的工艺方案，并进行了长时间的中试，现就该工艺的特点及中试过程中所遇到的问题进行阐述。 1 气相法制备二氧化钛 气相法一般是通过一些特定的手段先将反应前体气化，使其在气相条件下发生物理或化学变化，然后在冷却过程中成核、生长，最后形成纳米TiO2颗粒。 1.1 化学气相沉积法
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米二氧化钛的性质及应用进展
纳米二氧化钛的性质及应用进展 牙膏工业2006年第3期 纳米二氧化钛的性质及应用进展 李志军王红英 (深圳职业技术学院工业中心518055) 摘要:纳米二氧化钛微粒具有大的比表面积,其表面原子数,表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,由于其尺寸的 细微化,表现出独特的物理和化学特性,导致纳米二氧化钛微粒的热,光,敏感特性和表面稳定性等方面不同于常规粒子,这 就使其在环境,信息,材料,能源,医疗与卫生等领域有着广阔的应用前景.综述了纳米二氧化钛的性质,并介绍了近年来纳 米二氧化钛的应用研究发展动态. 关键词:纳米粉体二氧化钛性质应用 纳米微粒是指颗粒尺寸在I—lOOnm的超细微 粒.由于纳米微粒具有了量子尺寸效应,小尺寸效 应,表面效应和量子隧道效应,因而展现出许多特有 的性质,在催化,滤光,光吸收,医药,磁介质及新材 料等方面具有广阔的应用前景.纳米二氧化钛因其 具有粒径小,比表面积大,磁性强,光催化,吸收性能 好,吸收紫外线能力强,表面活性大,热导性好,分散 性好,所制悬浮液稳定等优点,因此倍受关注,制备 和开发纳米二氧化钛成为国内外科技界研究的热 点….本文将介绍纳米二氧化钛的一些基本性质 及其主要的应用研究进展. 1纳米TiO的基本结构 二氧化钛是金属钛的一种氧化物,其分子式是 TiO.根据其晶型,可分为板钛矿型,锐钛矿型和金
红石型三种.其中锐钛矿型TiO属于四方晶系,其晶格参数仅0=37.85nm,C0=95.14nm.图1为 两种晶型单元结构图.锐钛矿型TiO的单元结 构中钛原子处于钛氧八面体的中心,其周围的6个氧原子都位于八面体的棱角处,有4个共棱边,也就是说,锐钛矿型的单一晶格有4个TiO分子.锐 钛型TiO的八面体呈明显的斜方晶型畸变,Ti—O 键距离均很小且不等长,分别为I.937×10.m和1.964×10.11'1,这种不平衡使TiO分子极性很强, 强极性使TiO表面易吸附水分子,使水分子极化而形成表面羟基. 这种表面羟基的特殊结合使其表面改性成为可 ●Ti oO 金红石型 (a)(b) 图1TiO2的两种晶型单元结构图[.】 能,它可作为广义碱与改性剂结合,从而完成对TiO2的表面改性. 2纳米TiO的表面性质 2.1表面超亲水性 目前的研究认为,在光照条件下,TiO表面的 超亲水性起因于其表面结构的变化.在紫外光照射下,TiO价带电子被激发到导带,电子和空穴向 TiO表面迁移,在表面生成电子空穴对,电子与 Ti反应,空穴则与表面桥氧离子反应,分别形成正三价的钛离子和氧空位.此时,空气中的水解离吸附在氧空位中,成为化学吸附水(表面羟基),化学 吸附水可进一步吸附空气中的水分,形成物理吸附
纳米二氧化钛的应用
纳米二氧化钛的应用 纳米二氧化钛作为一种高效、无毒的光催化剂，在环保领域的应用越来越 受到人们的广泛关注和重视。抗菌材料纳米TiO2以其优异的抗菌性能成为开发研 究的热点之一，以期应用于水处理装置、医疗设备、食品包装、建材（如抗菌地砖、抗菌陶瓷卫生设施、抗菌砂浆、抗菌涂料等）、化妆品、纺织品、日用品以及家用电器等各个领域。1、气体净化环境有害气体可分为室内有害气体和大气污染气体。室内有害气体主要有装饰材料等放出的甲醛及生活环境中产生的甲硫醇、硫化氢及氨气等。TiO2通过光催化作用可将吸附于其表面的这些物质分解氧化，从而使空气中这些物质的浓度降低，减轻或消除环境不适感。大气污染气体，主要是由汽车尾气与工业废气等带来的氮氧化物和硫氧化合物。利用纳米TiO2的催化作用将这些气体氧化成蒸汽压低的硫酸和硝酸，在降雨过程中除去，从而达到降低大气污染的目的。在居室、办公室窗玻璃、陶瓷等建材表面涂敷TiO2光催化薄膜或在房间内安放TiO2光催化设备，均可有效地降解污染物，净化室内空气。利用纳米TiO2开发出来的一种抗剥离光催化薄板，可利用太阳光有效去除空气中的NOx气体，而且薄板表面生成的HN03可由雨水冲洗掉，保证了催化剂活性的稳定。2、抗菌除臭抗菌是指纳米TiO2在光照下对环境中微生物的抑制或杀灭作用。TiO2光催化剂对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等具有很强的杀能力。当细菌吸附于由纳米二氧化钛涂敷的光催化陶瓷表面时，2被紫外光激发后产生的活性超氧离子自由基(·O2-)和羟基自由基(·OH)能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效地杀灭细菌，并抑制细菌分解有机物产生臭味物质(如H2S、SO2、硫醇等)。因此，纳米TiO2能净化空气，具有除臭功能。3、处理有机污水工业污水和生活污水中含有大量的有机污染物，尤其是工业污水中含有大量的有毒、有害的有机物质，这些污染物用生物处理技术很难消除。许多学者对水中有机污染物光催化分解进行了系统的研究，结果表明以TiO2为光催化剂，在光照的条件下，可使水中的烃类、卤代物、羧酸等发生氧化还原反应，并逐步降解，最终完全氧化为环境友好的CO2和H2O等无害物质。4、处理无机污水除有机物外，许多无机物在TiO2表面也具有光学活性，例如无机污水中的Cr6+接触到TiO2催化剂表面时，能够捕获表面的光生电子而发生还原反应，使高价有毒的Cr6+降解为毒性较低或无毒的Cr3+，从而起到净化污水的作用；一些重金属离子如Pt4+，Hg2+，Au3+等，在催化剂表面也能够捕获电子而发生还原沉淀反应，可回收污水的无机重金属离子。5、防雾、自清洁功能TiO2薄膜在光照下具有超亲水性和超永久性，因此其具有防雾功能。如在汽车后视镜上涂覆一层氧化钛薄膜，即使空气中的水分或者水蒸气凝结，冷凝水也不会形成单个水滴，而是形成水膜均匀地铺展在表面，所以表面不会发生光散射的雾。当有雨水冲过，在表面附着的雨水也会迅速扩散成为均匀的水膜，这样就不会形成分散视线的水滴，使得后视镜表面保持原有的光亮，提高行车的安全性。阅读会员限时特惠 7大会员特权立即尝鲜 如果把高层建筑的窗玻璃、陶瓷等这些建材表面涂覆一层氧化钛薄膜，利用氧化钛的光催化反应就可以把吸附在氧化钛表面的有机污染物分解为CO2和O2，同剩余的无机物一起可被雨水冲刷干净，从而实现自清洁功能。 6、抗菌塑料 在日常生活中人们是离不开塑料制品的，如卫生间设施、桌面、垃圾箱、厨房用具、家用电器的塑料外壳、食品包装袋等等，由于温度、湿度合适，非常容易滋生感染细菌。因此!，对此类材料进行抗菌处理是极其必要的。 徐瑞芬等【2】 利用纳米TiO2作为无机抗菌剂，研制抗菌广谱长效的功能塑料。结果表明：采用锐钛矿
纳米二氧化钛综述
纳米二氧化钛的制备综述 摘要综述了纳米二氧化钛的多种制备方法和原理，比较和评述了不同方 法的优缺点。 关键词纳米二氧化钛；制备方法；原理 纳米材料以其特殊的性能和广阔的发展前景引起众多科学家们的广泛关注。纳米材料是指微粒几何尺寸在1nm～l00nm范围内的固体材料。纳米粒子是处于微观粒子和宏观粒子之间的介观系统。纳米材料以其独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子效应等性质，而呈现出许多奇异的物理、化学性质，使其在众多领域具有特别重要的应用价值和广阔的发展前景。纳米二氧化钛TiO2是当前应用前景最为广阔的一种纳米材料，它是当前众多纳米材料中的“明星”。我国对纳米二氧化钛的研究已经进入产业化开发与生产阶段，其制备手段可分为物理和化学两大类。本文就采用化学方法制备纳米二氧化钛的一些方法进行总结，并对不同方法的优缺点进行比较和评述。 一气相法 1．气相合成法 气相合成法是一种传统方法。1941年德国Degussa公司率先采用气相四氯化硅氧焰水解制备自炭黑(纳米级的二氧化硅)。在20世纪80年代中后期，气相氢氧焰水解法(Aerosil法)制备纳米级TiO2开始被应用于工业生产中。其生产过程是将精制过的氢气、空气和氯化物(TIC14 )蒸汽以一定的配比进入水解炉高温水解，温度控制在18000C以上，生成TiO2的气溶胶，经过聚集冷却器停留一段时间即形成絮状大颗粒的TiO2，再经过脱酸炉脱酸(吸附在TiO2表面的HC1)后，从而得到产品，其生产原理如下： Ti+2CI4 = TiC14 TiC14 +2H2+ O2 = TiO2 + 4HCI Aerosil法的优点是：原料TiC14获得容易，可挥发，易水解，易提纯，产品无需粉碎，物质的浓度小，生成粒子的凝聚少，气相产物TiO2的表面整洁、纯度高，易控制粒径颗粒分布集中，可得到不同比表面或不同晶型的系列产品。2．气相沉积法 化学气相沉积法可沉积金属、碳化物、氧化物、氮化物、硼化物等，能在几何形状复杂的物件表面涂敷，涂层与基底结合牢固，此方法发展非常迅速。 魏培海以1200C Ti(OC4H9) 为源物质，将一定流量的氮气通入其中进行鼓泡，并作为载气将Ti(OC4H9)带入TiO2反应器，同时将一定量的氮气通入反应器，应用金属气相沉积(MOCVD)方法沉积TiO2薄膜。当基底物质维持在4000C时，在基底表面发生下列反应：Ti(OC4H9)+24 O2=TiO2+16CO2+18 H2O TiO2分子沉积在基底表面，形成金红石型的TiO2薄膜，膜的厚度可通过调节反应时间来控制，此膜具有较强的光响应性能及稳定性，平带电位与溶液的pH值有关，是较理想的光电化学修饰材料。李文军等也以Ti(OC4H9) 为原料，氧气作反应气体，高纯氮作载体，采用低压MOCVD法在单晶硅基片上制备了TiO2薄膜。通过控制基片温度制成不同构型的TiO2。孙顺明应用自制设备及MOCVD 技术，分别在高掺杂硅片和有透明导电膜玻璃的基片上生长了TiO2薄膜。另外，
石墨烯纳米材料及其应用
墨烯纳米材料及其应
二?一七年十二月
摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签
石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov
纳米材料的应用和发展前景概要
一、文献调研部分（获取综述的参考文献—精读全文）1．利用中文（期刊、学位论文、会议论文）数据库，检出中文切题题录（批量），选择记录文摘格式10篇（其中学位论文要求不少于2篇、期刊论文6篇）； [1]叶灵. 纳米材料的应用与发展前景[J]. 科技资讯. 2011(20) 摘要: 很多人都听说过"纳米"这个词,但什么是纳米,什么是纳米技术,可能很多人并不一定清楚。着名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60年代曾经预言:如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。 [2]赵雪石. 纳米技术及其应用前景[J]. 适用技术市场. 2000(12) 摘要: 纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的前景,使得纳米技术成为目前科学研究的热点之一,被认为是21世纪的又一次产业革命。 [3]何燕,高月,封文江. 纳米科技的发展与应用[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2010(02) 摘要：纳米科技是21世纪的主导产业,世界各国把纳米科技的研究和应用作为战略重点。在第五次科学技术革命中,新材料家族被推上新一轮科技革命的顶峰。在新材料和新技术中,纳米材料和纳米技术无疑将成为核心材料和核心技术。纳米技术的最终目标是直接操纵单个原子和分子,制造新功能器件,从而开拓人类崭新的生活模式。文章概述了纳米科技的发展过程及纳米材料的性质与制备,介绍了纳米技术在部分领域的应用,并简述了纳米技术对未来社会的巨大影响及潜在的、令人鼓舞的发展前景。 [4]何彦达. 纳米材料的应用及展望[J]. 科技风. 2010(01) 摘要：纳米材料(尺寸在1-100纳米范围内)又称超细微粒、超细粉末,是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它拥有一系列新颖的物理和化学特性,在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。 [5]樊东黎. 纳米技术和纳米材料的发展和应用[J]. 金属热处理. 2011(02) 摘要：<正>2005年12月在克利夫兰召开了由美国金属学会和克利夫兰纳摩网主办的美国纳米技术应用峰会。许多实体企业,如波音、福特、通用、洛克希德、蒂姆肯等公司高管出席会议和发言。会议的特点是着重于纳米。 [6]张桂芳. 纳米材料应用与发展前景概述[J]. 黑龙江科技信息. 2009(16) 摘要：由于独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,以下概述了纳米材料的应用与发展前景。 [7]杨萍. 多功能复合纳米材料的制备及其光分析应用研究[D]. 中国科学技术大学 2012 摘要：纳米材料具有独特的化学、物理和生物性能,引起了人们的极大关注。多功能复合结构纳米材料能够将不同功能的纳米材料整合到一个纳米器件中,从而为现代工业、生物医学
纳米二氧化钛的现状与发展概要
纳米二氧化钛的现状与发展 作者：未知时间：2007-11-24 15:17:00 国外纳米TiO2的生产现状 20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。 由于纳米TiO2在催化及环境保护等方面具有广阔的应用前景，并可用于日用产品、涂料、电子、电力等工业部门，因此，纳米TiO2展现出巨大的市场前景。日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。 根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。 表1 2003年全球纳米TiO2消费量与产品应用 近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技
(完整版)纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性[ 1 ] ,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切[ 2 ] [ 3 ] 。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法 纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 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,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶化和蒸发,蒸汽达到周围的气体就会被冷凝或发生化学反应形成超微粒。 2 化学制备方法 化学法是指通过适当的化学反应, 从分子、原子、离子出发制备纳米物质,它包括化学气相沉积法[5][6]、化学气相冷凝法、溶胶-凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法,该方法是在一个加热的衬底上,通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程,该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。
纳米二氧化钛的制备
纳米TiO2的制备方法 1 前言 20世纪80年代以前，纳米TiO2的研究开发目的主要是作为精细陶瓷原料、催化剂、传感器等，需求量不大，没有形成大的生产规模。80年代以后，开发的纳米TiO2用作透明效应和紫外线屏蔽剂，为纳米TiO2打开了市场，使纳米TiO2的生产和需求大大增加，成为钛白工业和涂料工业的一个新的增长点。 二氧化钛俗称钛白，是钛系最重要的产品之—，也是一种重要的化工和环境材料。纳米二氧化钛由于其具有粒径小、比表面积大、磁性强、光催化、吸收性能好、吸收紫外线能力强、表面活性大、热导性好、分散性好、所制悬浮液稳定等优点而倍受关注，制备和开发纳米二氧化钛已成为国内外科技界研究的热点之一。 日本、美国、英国、德国和意大利等国对纳米TiO2进行了深入的研究，并已实现纳米TiO2的工业化生产。目前全世界已经有十几家公司生产纳米TiO2，总生产能力估计在(6000～10000)t/a，单线生产能力一般为(400～500)t/a。根据莎哈里本公司统计，2003年全球纳米TiO2销售量仅为1800t左右，其消费量与产品应用见表1。近几年，有关纳米TiO2的新建装置已很少报道，主要是已建成装置的生产能力已远远超出市场的实际消费量，多数厂家处于开工不足或停产的状态。主要原因是目前国际上公认的纳米TiO2制备和应用技术还有待于提高，技术要点和难点主要表现在以下几个方面：①国际上纳米TiO2的价格为(30～40)万元/t，其成本大致是销售价格的2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产成本的关键因素；②纳米TiO2的晶型和粒度控制技术；③金红石型纳米TiO2的表面处理技术；④纳米TiO2应用分散技术；⑤纳米TiO2应用功能的提升技术；⑥纳米TiO2产业化成套技术。由于以上条件的制约，使得纳米TiO2的应用和发展受到限制 1.1制备方法介绍 1.1.1溶胶凝胶法 溶胶凝胶法是一种较为重要的制备纳米材料的湿化学方法，主要包括4个步骤［1］：第一步，胶溶。Ti(OR)4与水不能互溶，但与醇、苯、等有机溶剂无限混溶，所以先配制Ti(OR)4的醇溶液（多用无水乙醇），再配制水的乙醇溶液，并向B中添加无机酸或有机酸作水解抑制剂（负催化剂），也可加，将A 和B按一定方式混合、搅拌得透明溶胶。第二步，溶胶凝一定量NH 3 胶转变制湿凝胶。第三步，使湿凝胶转变成干凝胶。第四步，热处理。将干凝胶磨细，在氧化性气氛中在一定温度下热处理，便可得到<100nm的TiO 。 2
纳米材料的研究内容及进展
纳米材料的研究内容及进展 摘要 纳米科技是在80年代末，90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴科技领域，也是21世纪最 前沿，最富有活力的学科领域之一，是继信息技术和生物技术之后，又一深刻影响人类和社会经济发 展的重大技术，它的迅猛发展将在新世纪影响到几乎所有的工业领域，有些甚至产生革命性的变化。 关键词：纳米材料研究内容进展 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速必然对材料 提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越 小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此 基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对发展、振兴、国力增强最有力的战略领域，纳米 材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米科技研究的深入发展和产业化的迅速推进对高水平研发人 员和高级技术人才提出了越来越迫切的需求，世界发达国家已经在全面部署纳米科技的教育，以期为 形成现实生产力做准备。 一纳米材料的研究内容 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米中最为活跃、最接近的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方某时400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新，提出新概念，建立新，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米Cu的决体材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7urn的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望，纳米金属间化合物 FqsAJZCr室成果的转化，到为止，已形成了具有自主知识产权的几家纳米粉体产业，睦次鹦米氧化硅。氧化钛、氮化硅核区个文的易实他借个缈阳放宽在纳米添加功能陶瓷和结构陶瓷改性方面也取得了很好的效果。 二纳米材料的研究进展 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近匕年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 Ogala计划、ERATO