纳米材料的化学性质
纳米材料的基本概念和性质汇总
特殊的物理和化学性质：
镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调 制掺杂效应，该结构相当于大原子-超原子膜材料， 具有三维特征。
纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 这类集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构， 导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。
5、纳米固体材料
定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体 材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体， 结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块 体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。
纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面， 如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界， 原子的扩散系数要比大块材料高 1014～ 1016 倍，从而 使得纳米材料具有高韧性。
按结合方式：范德华力：H、Ne、Ar、Ke、Xe
离子键：LiF、NaCl、CuBr、CsI
化学键：C60、金属原子团簇
特点：
尺
寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围
存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体 液体，介于两者之间 产生条件：作为原子聚集体，多产生于非平衡条件
纳米复合材料的性质：
同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。 强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材 料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料 的强度、弹性模量就越高。
1.1 纳米材料性质
纳米材料性质1 纳米材料概述纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米级别（约1-100nm）的材料，根据其维度的差异通常可分为三类：（1）零维材料，即空间三维尺度都在纳米级别，包括量子点、纳米微球、纳米颗粒、原子团簇等；（2）一维材料，即空间三维尺度中有一维处于纳米级别，如纳米线、纳米棒、纳米管、纳米带等；（3）二维材料，即空间三维尺度有两维处于纳米级别，包括纳米片、多层膜、超薄膜石墨烯、二硫化钼、二硒化钼、二硫化钨、二硒化钨等片状纳米材料。
纳米粒子一般是比原子簇大，而比微粉要小，这个尺寸是处于原子和微观物质之间很难用肉眼和一般的显微镜观察。
图1.1 颗粒尺寸分布图，单位：米（m）因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元又分别称为量子点、量子线和量子阱。
纳米材料是介于宏观和微观原子簇之间的一个新的物质层次，因而表现出独特的物理化学性质，具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应、量子限域效应等特性，使得纳米材料在包括催化、生物医学、材料工程、环保、能源等众多领域得到了广泛的应用。
2 纳米材料的基本性质由于组成纳米材料的基本单元属于纳米量级，当材料的尺寸小到接近光的波长或接近电子的相干长度时，晶体的周期性的边界条件将会被破坏，材料的比表面积会增大，而纳米材料表层附近的原子密度将减小，这些改变将造成纳米材料相对于宏观物体的多种性质的改变。
这些纳米材料的尺寸越小，其表面原子数所占比例就越大。
由于表面原子的配位数较低，导致表面原子活性较高，微电子状态相应会发生变化，从而使得纳米材料有很多独特的性质。
2.1 表面效应表面效应是指纳米材料表面原子的数量与纳米材料的总原子数的比值随着粒径的变小而快速增大后所引起的材料性质的变化。
表1.1中给出了纳米粒子尺寸与表面原子数的关系。
从表1.1中可见随着纳米材料尺寸的减小，材料比表面积和表面的原子数在迅速增加。
由于纳米材料的表面原子的结合能与内部原子不同，表面的原子越多，材料的表面能越高。
化学中的纳米材料科学知识点
化学中的纳米材料科学知识点纳米材料是指至少在一个尺寸范围内具有一个或多个尺寸小于100纳米的材料。
纳米材料的研究兴起于20世纪90年代，随着技术的进步和科学的发展，纳米材料在化学领域中扮演着重要的角色。
一、纳米材料的定义和特点纳米材料通常是由许多个纳米粒子组成的，这些纳米粒子具有特殊的物理和化学性质。
纳米材料的特点包括以下几个方面：1. 尺寸效应：当材料的尺寸减小到纳米级别时，其物理和化学性质会发生显著变化。
2. 量子效应：纳米材料中的电子、光子等粒子表现出与宏观材料不同的行为，显示出量子效应。
3. 表面效应：纳米材料的表面积相比于体积更大，表面上的原子和分子与周围环境的相互作用更加明显。
二、纳米材料的制备方法1. 溶胶-凝胶法：通过溶胶状态中的小颗粒到凝胶状态的沉淀，得到纳米材料。
2. 熔融法：通过材料的熔化和快速冷却，形成纳米粒子。
3. 气相法：通过在高温下使气体或蒸汽的粒子聚集形成纳米颗粒。
4. 暴露还原法：通过还原剂的作用，还原纳米粒子。
5. 电化学法：利用电流的作用，将金属离子沉积成纳米颗粒。
三、纳米材料的应用领域1. 光电子学领域：纳米材料在太阳能电池、显示器件和激光等方面有广泛应用。
2. 催化剂领域：纳米材料的比表面积大，可以提高反应速率和选择性，有助于催化反应的进行。
3. 生物医学领域：纳米材料在药物传递、肿瘤治疗和成像方面具有潜在应用价值。
4. 传感器领域：纳米材料可以用来制作高灵敏度的传感器，用于检测化学物质、生物分子等。
5. 环境保护领域：纳米材料在水处理、废气净化等方面具有广泛应用前景。
四、纳米材料的安全性和环境风险尽管纳米材料在科学研究和技术应用中非常有前景，但其安全性和环境风险也需要引起关注。
1. 纳米材料对人体的影响：纳米材料可以穿透细胞膜，进入人体内部，可能对人体造成潜在的毒性和健康风险。
2. 纳米材料对环境的影响：纳米材料的释放和排放可能会对环境和生态系统造成潜在的危害。
第三章 纳米材料的特性
（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。
介电特性减小明显增大。
在低频范围内远高于体材料。
介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。
7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。
纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。
纳米材料物理化学性质
第四章纳米材料的物理化学性能纳米微粒的物理性能第一节热学性能※1.1. 纳米颗粒的熔点下降由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。
金的熔点：1064o C；2nm的金粒子的熔点为327o C。
银的熔点：960.5o C；银纳米粒子在低于100o C开始熔化。
铅的熔点：327.4o C；20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。
铜的熔点：1053o C；平均粒径为40nm的铜粒子，750o C。
※1.2. 开始烧结温度下降所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。
纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
※1.3. NPs 晶化温度降低非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。
※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。
第二节电学性能2.1 纳米金属与合金的电阻特性1. 与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加；3. 比电阻随温度的升高而上升4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。
电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。
随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。
当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。
5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）.电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。
※纳米材料的电阻来源可以分为两部分：颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。
纳米材料的性质
纳米材料的性质纳米材料是一种具有特殊性质的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的性质与传统材料有着显著的差异，这些性质的独特之处使得纳米材料在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
首先，纳米材料的尺寸效应是其独特性质的重要来源之一。
当材料的尺寸缩小至纳米尺度时，其表面积和表面能显著增加，从而导致了许多新的性质的出现。
例如，纳米颗粒的光学性质会因为尺寸的减小而发生变化，表现出特殊的光学效应，如量子尺寸效应和表面增强拉曼散射效应。
这些性质的出现为纳米材料在光电子器件、传感器和生物医学领域的应用提供了可能。
其次，纳米材料的力学性质也表现出独特的特点。
由于其尺寸较小，纳米材料表现出了优异的力学性能，如高强度、高韧性和高硬度。
这些性质使得纳米材料在材料增强、纳米复合材料和纳米机械领域具有重要的应用前景。
例如，碳纳米管具有优异的力学性能，被广泛应用于材料增强和纳米传感器领域。
另外，纳米材料的电子性质也是其重要的特点之一。
由于纳米材料的尺寸接近电子的波长，其电子结构和输运性质会发生显著的变化。
例如，纳米材料表现出了优异的电子传输性能，被广泛应用于电子器件、能源存储和转换领域。
同时，纳米材料的量子效应也使得其在纳米电子学和量子计算领域具有重要的应用前景。
此外，纳米材料的化学性质也表现出了独特的特点。
由于其表面积的增大，纳米材料表现出了优异的化学活性和表面催化性能。
这些性质使得纳米材料在催化剂、传感器和生物医学领域具有重要的应用价值。
例如，金纳米颗粒被广泛应用于生物医学成像和药物输送领域，其表面的化学活性使得其具有良好的生物相容性和药物载体性能。
综上所述，纳米材料具有独特的性质，包括尺寸效应、力学性质、电子性质和化学性质。
这些性质使得纳米材料在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景，为我们解决许多重大科学和工程问题提供了新的途径和方法。
随着纳米技术的不断发展和进步，相信纳米材料的性质将会进一步展现出其独特的魅力，并为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
纳米材料的制备及其物理化学性质
纳米材料的制备及其物理化学性质随着科学技术的不断发展，纳米材料作为一种新兴材料得到了广泛的关注和研究。
纳米材料的尺寸在1-100纳米之间，具有许多特殊的物理化学性质，如比表面积大、导电性好、磁性强等，因此在能源、催化、电子器件等领域具有广泛的应用前景。
本文将围绕纳米材料的制备和物理化学性质展开探讨。
一、纳米材料的制备1.物理法制备物理法包括溅射法、球磨法、气相沉积法等。
其中，溅射法是一种将材料的蒸汽或气体在真空条件下施加电场，使其产生离子，最终形成薄膜的方法。
球磨法是一种将原料放置在高速旋转的球磨罐内，利用摩擦力将原料颗粒磨成微米级的小颗粒，再通过纳米级的机械作用形成纳米粒子。
气相沉积法通过将材料原料在真空条件下加热蒸发，形成气体，然后在基底上沉积出薄膜或形成纳米颗粒。
2.化学法制备化学法包括溶胶凝胶法、反应物还原法、水热法等。
其中，溶胶凝胶法是一种利用一种或多种溶解的化合物通过加热、干燥等步骤，形成经固化后的凝胶，在高温下形成纳米材料的方法。
反应物还原法是将金属离子溶液与还原剂溶液混合，使其反应生成纳米颗粒。
水热法则是将反应物溶解于水中，在一定的温度和压力下通过自生晶体和调节Ph值，形成纳米材料。
二、纳米材料的物理化学性质1.比表面积大由于颗粒尺寸较小，具有比表面积大的特点，表面积与材料质量的比值增大，表面活性强，因此更容易与周围环境相互作用，发挥材料的各种特性。
同时，由于比表面积大的特点，纳米材料可以被广泛应用于各种方面，如生物医学、环境治理等领域。
2.导电性好纳米金颗粒的尺寸越小，其电阻率就越低，导电性也越好。
纳米金颗粒因为尺寸小，其表面原子团扩展，更容易达到共同原子的连结状态。
这意味着，纳米金的表面积比等容积金的表面积更大，因此，纳米金的电度活性更高。
这种特性可以应用于电子器件、催化剂等领域，提高器件的性能。
3.磁性强纳米铁颗粒具有磁性，而且具有比亚铁磁晶体颗粒更强的磁性，并且相互作用时也更加强烈。
纳米材料的种类和性质
纳米材料的种类和性质摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、种类和性质。
关键词：纳米材料；概念；性质；种类正文：1纳米材料概念：从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。
因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。
由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。
并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。
纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
2纳米材料种类：纳米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。
其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
2.1纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
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纳米材料的化学性质
摘要：本文主要阐述了纳米材料比表面积的特征结构，及由其结构而导致的独特的化学性能，
并讲述了纳米材料化学性能在催化剂方面的实际应用。
关键字：纳米材料纳米纳米化学纳米材料的应用纳米催化剂
Summary:This text mainly elaborated the Na rice's material accumulates than the
surface of characteristic structure, and from its structure but cause of special chemistry function, and related the Na rice material chemistry function's actual application in catalyst.
Key word:The applied Na rice of the Na rice material Na rice Na rice chemistry
Na rice material catalyst
纳米微粒独特的比表面积
人们通常把粒径分布在1~100nm
的细微粒子称为纳米粒子,纳米粒子
的集合体称为纳米粉末。
纳米粒子的
尺寸与化学中胶体粒子大致相当,介
于原子、分子与块状物体之间,用肉
眼或性能最优良的光学显微镜均无法
辩认,但可借助电子显微镜观察。
纳
米粒子的比表面积是纳米微粒一个非
常重要的参数。
球体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
其表面积与直径成反比。
随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的
百分数将会显著增加。
对直径大于0.1um的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1um
时，其表面原子百分数急剧增加，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达100平方米.
③
纳米微粒的团聚
由于纳米微粒的比表面积大，表面能升高。
如铜粉，粒度为100um时，每克的比表面
积为4.2×10∧3平方厘米，当它的粒度为1um时，4.2×10∧5平方厘米，大了100倍，表
面的原子数所占的比例也大大增加了，因而其表面活性增强，粒子之间的吸引力增加④。
团聚颗粒结构图⑤
纳米微粒在团聚前后表面自由能的变化<0，可
见，团聚使系统自由能减少，根据热力学定律，纳
米微粒从分散向团聚变化是不可逆的、自发的过程。
在纳米微粒形成过程中，表面往往带有静电，这种
粒子极不稳定，在微粒的相互碰撞过程中，它们很
容易团聚在一起形成表面能较低的、带有弱连接界
面的、尺寸较大的团聚体。
纳米微粒制备时，颗粒
间的范德华力远大于微粒本身的重力，他们的化学
键造成的粘附，对纳米微粒的制备造成了困难。
纳米粒子的实际应用--纳米粒子的催化作用
由以上可知，纳米微粒有很大的比表面积和表面分子比例，直径小，易于同反应物发生反应，所以催化效果很好。
纳米粒子的催化作用有以下两种：
1.金属纳米粒子的催化作用。
由于纳米粒子比表面积比较大，粒径小，随着粒径的减小,表面光滑程度降低,形成了凸凹不平的原子台阶,这就增加了化学反应的接触面,从而提高了催化剂的有效利用率。
所以催化效果比较好。
实际生活中，火箭固体燃料反应触媒为金属纳米催化剂，这样做使燃料效率提高100倍。
Au纳米粒子沉积在氧化铁、氧化镍衬底，在70℃时就具有较高的催化氧化活性。
一般金属纳米催化剂都分散在氧化物载体上，常见的这类载体有八面沸石和Beta沸石。
八面沸石 Beta沸石
2.纳米粒子聚合体的催化作用。
常见的此类催化剂有WC、氧化铝、氧化铁等粒子的聚合体。
在生活中，常用Fe、Ni的纳米粉体与γ-Fe₂O₃混合烧结体代替贵金属作为汽车尾气净化剂。
氧化铝聚合体 pt-fe催化剂
例如：
科研人员通过溶胶凝胶法，控制溶胶凝胶制备过程的影响因素、纳米氧化铝前驱体的热处理工艺和粉体表面改性，制备出了分散性好、多形貌的高纯纳米γ-Al2O3粉体，较好地解决了粉体的团聚现象，并优化了制备及热处理工艺条件，研发出了正己醇分离的适宜工艺路线。
该纳米材料已在多种催化剂制备中得到工业化应用，具有杂质含量少、孔容大、比表面大、孔径分布合理等优点，可以达到进口催化剂的指标。
该项目于今年6月进行了1000t/a工业应用。
截至目前装置连续运转，累计新增产值3.5亿元以上。
⑦
③张立德著纳米材料学1994年
④杨志伊主编纳米科技 2004年01月第1版
⑤杨志伊主编纳米科技 2004年
⑦摘自中国化工报作者：李琮 2010年。