纳米材料学总结

《纳米材料》

一、名称解释

纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。久保理论：关于金属粒子电子性质的理论，是针对金属超微颗粒面附近电子能级状态分布而提出的。

量子尺寸效应：

自组装：基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。

团簇：由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。

二、简答

列举几个材料或化学类的期刊；列举说明几种表征手段；列举几个研究纳米材料的研究小组

三、纳米材料不同于其它材料的物理化学性质；

四、列举几种材料的制备方法

五、抑制团聚的措施

六、光催化原理

光催化剂纳米粒子在一定波长的光线照射下受激发生成电子-空穴对（当光子能量高于半导体吸收阈值的光照射半导体时,半导体的价带电子发生带间跃迁,即从价带跃迁到导带,从而产生光生电子()和空穴()），空穴分解催化剂表面吸附的水产生氢氧自由基，电子使其周围的氧还原成活性离子氧，从而具备极强的氧化-还原作用，能将绝大多数的有机物氧化至最终产物二氧化碳和水，甚至对一些无机物也能彻底分解。

第二章纳米微粒的基础

1. 量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象。

2. 小尺寸效应：当超细微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者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，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小。

3. 表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能大，表面原子配位不足，活性强。

4. 宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力。

第三章纳米微粒结构与物理性质

1. 热学性质：

低熔点：由于纳米微粒尺寸小，纳米微粒表面能高，表面原子配位不全，具有较高的表面能，体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能小的多，故熔点低。

烧结温度：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互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。

非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉末。

2. 磁学性能:

超顺磁性：磁化率局里—外斯定律χ= C /() 原因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向，易磁化方向作无规律的变化，结果倒是超顺磁性的出现。

矫顽力：使已被磁化后的铁磁体的磁感应强度下降为零时所需施加的反向磁场强度。两种解释：a.一致转动磁化模式：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴，每一个单磁畴的纳米微粒实际就是一个永久磁铁，要使这个磁铁失去磁性，必须是每个粒子的整体磁矩相反，这需要很大的反向磁场。b.球链反转磁化模式

居里温度：材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度，即铁电体从铁电性转变成顺电性引起的相变温度。

3. 光学性能

宽频带强吸收：纳米粒子对可见光是低反射率，强吸收率。由于大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键与悬键增多，与常规材料相比，没有单一的择优的键振动模式，而存在一个较宽的键振动模的分布。

蓝移现象：一是量子尺寸效应，已被电子占据的分子轨道与未被电子占据的分子轨道之间的能隙随着纳米粒径的减小而增大。另一种是表面效应，纳米颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小，键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大。

量子限域效应：半导体纳米微粒的半径小于激子波尔半径时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围空穴很容易与它形成激子，引起电子与空穴波函数的重叠，这就很容易产生激子吸收带。激子带的吸收系数随粒径下降而增加，即出现激子增强吸收并蓝移。纳米微粒的发光：

第四章纳米微粒的化学特性

1. 吸附：

非电解质的吸附：从水溶液中吸附非电解质时，影响很大，越高，粒子表面带负电，水的存在使得氢键很难形成，吸附能力下降。

电解质吸附：高价离子，高电介质浓度下，双电层很薄。

2.分散与团聚

防止粒子团聚的措施：

A．加入反絮凝剂形成双电层

B．加表面活性剂包裹颗粒

微粒发生团聚主要受范德瓦尔力与双电层之间的排斥作用影响。引起微粒团聚的最小微粒浓度反比于溶剂离子的化学价的六次方，与溶剂离子的种类无关。

3.流变学

当胶乳浓度增加时，约化粘度增加，即使胶乳浓度相同，随胶乳粒径减小粘度增大。随胶乳粒径减小粘度增大是由于粒径愈小，胶乳比表面增大，胶乳间静电引力增大所致。

磁液：磁性颗粒，界面活性剂，载液。当外加磁场平行于磁液的流动的方向时，磁液粘度迅速增加；当外加磁场方向垂直于磁液流变方向时，磁液粘度没有明显变化。

第五章纳米微粒制备方法：气相法与液相法

气相法：

1.气体冷凝法

2.活性氢——熔融金属反映法

3.溅射法（两电极）—可制备多种纳米金属，包括高熔点与低熔点的；能制备多组元的化

合物纳米微粒；通过加大阴阳极表面积提高纳米粒子获得量。

4.流动液面上的真空蒸度法(较惰性气体蒸发法制得得粒子小，粒径均匀分布窄，均匀分散

在油中，粒径尺寸可控)

5.通电加热蒸发法（碳棒与金属接触）可制备碳化物超微粒

6.混合等离子法（）

特点：超微粒纯度较高，反应物质可充分反应，可制备化合物超微粒。

7.激光诱导化学气相沉积——利用反应气体分子对特定波长激光的吸收，引起反应气体分

子激光光解，激光热解，激光光敏化，激光诱导化学合成反应。在一定的工艺条件下，获得超细离子空间成核与生长，包括：a.反应体向粒子表面的运输过程b.在粒子表面的沉积过程 c. 化学反应或凝聚形成固体过程 d. 其他气相反应物的沉积过程 e.气相反应产物通过粒子表面运输过程。

特点：清洁表面，粒子大小可控制，无粘度，粒度分布均匀等。

液相法：

1.沉淀法：共沉淀法，均相沉淀，金属醇盐水解（有机试剂纯度高以至于氧化物粉末纯度

高；能制备化学计量的复合金属氧化物粉末——复合醇盐法：碱性醇盐与酸性醇盐中和反应；金属醇盐混合液），

2.喷雾法（喷雾干燥法，雾化水解法，雾化焙烧法）

3.水热法

4.溶剂挥发分解法（冻结干燥法）

5.溶胶凝胶法（优点：化学均相性好，高纯度，颗粒细，可容纳不溶性组分或不沉淀组分，

缺点：烘干后的球形凝胶颗粒自身烧结温度低，但凝胶颗粒之间烧结性差，块体材料烧结性不好；干燥时收缩大）