无机固体材料的结构-无机功能纳米材料化学
无机化学——固体的结构和性质
7.1.4 Vitreous body(玻璃体) 非晶态物质:结构无序(近程可能有序)的固体物质
801℃ ； Al2O3： 2045 ℃ Crystals have anisotropy (各向异性)
graphite 导电性；从不同方向观察红宝石或蓝宝石，会发 现宝石的颜色不同，这是由于方向不同，晶体对光的吸收性 质不同。
Crystalline and Amorphous ● 晶体的三大特征 1、一定的外形 2、固定的熔点 3、有各向异性。
●非晶体：玻璃，松香，石蜡，沥青等无固定外形。
●单晶（single crystal）与多晶（polycrystal）的区别：某些固 体表面上看不是晶体，结构分析仍是由极小的晶体组成的称 为微晶（minicrystal）、混晶（mixed crystal）或多晶。
●晶体与非晶体可在一定条件下互相转化。如石英玻璃。
●液晶（[liquid crystal]）是一类特殊的晶体，有机物质熔化后 在一定温度范围内的部分长程有序，介于液态和晶态之间的 各向异性。
●晶态比非晶态稳定 非晶态本质上是一种亚稳态，如弹性硫。
7.1.1 Crystalline and Amorphous Solids(晶体和非晶体) Solids may be either crystalline or amorphous. Crystalline solids have well-defined, regular shapes, but amorphous solids do not.
无机纳米材料的制备和表征
无机纳米材料的制备和表征随着纳米科技的快速发展，无机纳米材料作为一类重要的纳米材料，在科学研究和应用领域中得到了广泛关注。
无机纳米材料具有较大比表面积、尺寸和形态可控等独特的物理和化学性质，因此在催化、传感、能源、材料、生物医学等领域展示了许多优异的性能和应用前景。
本文旨在介绍无机纳米材料的制备和表征方法。
一、无机纳米材料的制备无机纳米材料的制备方法有很多种，常用的方法包括溶剂热法、水热法、溅射法、还原法、燃烧法、微波法、气相法等。
这些方法的选择取决于所需的纳米材料类型、形态和性质等因素。
下面分别介绍几种常用的无机纳米材料制备方法。
（一）溶剂热法溶剂热法是通过加热反应溶液或混合溶液，使其发生溶解、反应或析出等反应过程，从而制备出纳米材料的方法。
它具有反应条件温度、反应时间、反应物浓度和添加剂等因素可调控、形态可控、易于操作等优点。
溶剂热法可以用于制备金属氧化物、金属硫化物、金属基合金、半导体材料、复合材料等无机纳米材料。
例如，以二元氧化物ZnO为例，可通过将Zn（NO3）2和NaOH按一定比例混合，并在甲醇中进行反应，得到球形ZnO纳米粒子。
（二）水热法水热法也被称为热水法或水烁热法，是指在高温高压水热环境下制备无机纳米材料的一种方法。
水热法具有反应时间短、纳米颗粒尺寸分布狭窄、粒径可控等特点。
该方法可用于制备金属氧化物、金属硫化物、金属基合金、半导体材料等无机纳米材料。
例如，以四面体纳米铁酸铁氧化物为例，可以将FeCl3和（NH4）2C2O4按一定比例混合，加入蒸馏水后，在高温高压水热条件下反应，制备出四面体型的纳米铁酸铁氧化物。
（三）溅射法溅射法是一种利用高能离子束或电子束轰击固体靶材，从而使靶材表面原子解离成原子或离子，并沉积到基片上形成薄膜或纳米结构的方法。
溅射法具有对原材料选用不受限制、薄膜质量高、膜厚均匀等优点。
溅射法可用于制备金属、合金、氧化物、氮化物等各种无机材料纳米膜。
例如，以氧化铜为例，可以将Cu靶材和氧气的混合气体放置于反应腔内，在较高的真空环境下，通过离子轰击实现氧化铜纳米薄膜的制备。
无机结构及功能材料 复习资料
无机功能及结构材料复习资料名词解释：功能材料：以特殊的电、磁、声、光、热、力、化学及生物学等性能作为主要性能指标的一类材料，是用于非结构目的的高技术材料。
结构材料：指具有抵抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能，用于结构目的的材料。
智能材料：是指具有感知环境刺激，对之进行分析、处理和判断，并采取一定措施进行适度响应的智能特征的材料。
迈斯纳效应：超导状态下，外磁场的磁化使超导体表面产生感应电流，感应电流在超导体内产生的磁场正好和外磁场抵消，导致超导体内部磁场为零，即具有完全抗磁性这种想象就是迈斯纳效应。
磁功能材料：指利用材料的磁性能和磁效应实现对能量及信息进行转换、储存或改变能量状态等功能作用的材料。
形状记忆效应：是指将材料在一定条件下进行一定限度以内的变形后，再对材料施加适当的外界条件，材料的变形随之消失而回复到变形前的形状的现象。
压电效应：某些电介质当沿一定方向对其施力而变形时内部产生极化现象，同时在它的表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后又恢复不带电的状态，这种现象称为正压电效应；在介质极化方向施加电场时电介质会产生形变，这种效应又称逆压电效应。
光生伏特效应：光照射半导体PN结时，会在PN结处产生电子-空穴对，在PN结内建电场的作用下，空穴被扫向P区，电子被扫向N区，从而在PN结两侧产生光生电动势，这一现象称为光生伏特效应，简称光伏效应。
压阻效应：对半导体施加应力时，除了产生形变外，同时也改变了半导体载流子的分布和运动状态，导致材料宏观电阻率发生变化。
这种由外力作用引起材料电阻率变化的现象称为压阻效应。
磁阻效应：若给通以电流的金属或半导体材料薄片施加与电流垂直或平行的外磁场，则其电阻值就增加。
这种现象称为磁滞电阻变化效应，简称磁阻效应。
光致变色：光致变色是指一个化合物A，在适当波长的光辐照下。
可进行特定的化学反应或物理效应，获得产物B，由于结构的改变导致其吸收光谱（颜色）发生明显的变化，而在另一波长的光照射或热作用下，产物B又能恢复到原来的形式。
无机化学四新物质结构
溶胶-凝胶法可以制备出具有高纯度、高均匀性和高结晶度的 无机材料，同时还可以通过控制反应条件和添加改性剂等手 段对材料的结构和性质进行调控。这种方法广泛应用于陶瓷 、玻璃、复合材料等领域。
水热法与溶剂热法
总结词
水热法与溶剂热法是在高温高压条件下，通过水或有机溶剂作为反应介质，制备 无机材料的方法。
无机化学四新物质结构
• 引言 • 无机化学基础知识 • 新物质结构类型 • 无机化学中的新物质合成方法 • 无机化学新物质的应用 • 结论与展望
01
引言
主题简介
无机化学四新物质结构是指近年来在无机化学领域中发现的四种具有独特结构和性 质的物质，它们在材料科学、能源、环境等领域具有广泛的应用前景。
固相法通常是将固体反应物混合并在高温下 进行反应，制备出所需的无机材料。液相法 则是在液态反应介质中，通过控制反应条件 和添加剂等手段，制备出具有特定结构和性 能的无机材料。这两种方法都可以用于制备 高纯度、高密度和高质量的无机材料，广泛
应用于陶瓷、玻璃、复合材料等领域。
05
无机化学新物质的应用
新物质在材料科学中的应用
发展提供理论支持和实践指导。
这些物质在能源、环境、医疗等领域具 有广泛的应用前景，研究它们的结构和 性质有助于推动相关领域的技术进步和
创新发展。
同时，无机化学四新物质结构的发现和 研究也有助于提升我国在无机化学领域 的国际地位和影响力，为我国科技事业
的发展做出贡献。
02
无机化学基础知识
无机化学概述
详细描述
水热法与溶剂热法可以在相对较低的温度和压力条件下实现无机材料的合成，同 时可以控制材料的晶体结构和形貌。这种方法可以制备出具有特殊结构和优异性 能的无机材料，广泛应用于矿物、陶瓷、催化剂等领域。
有机一无机纳米复合材料的制备、性能及应用
有机一无机纳米复合材料的制备、性能及应用引言纳米复合材料是一类新型复合材料,它是指1种或多种组分以纳米量级的微粒即接近分子水平的微粒复合于基质中所构成的一种复合材料。
纳米复合材料因其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域，将给材料的物理和化学性质带来特殊的变化，正日益受到关注。
纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”，该类材料研究的种类已经涉及到无机物、有机物和非晶态材料等。
有机-=无机纳米复合材料因其综合了有机物和无机物各自的优点，并且可以在力学、热学、光学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能，正在成为材料科学研究的热点之一。
目前，国内外在这方面的研究成果正不断见诸报道。
本文拟对有机一无机纳米复合材料的制备、性能及应用作一个综述。
有机一无机纳米复合技术最先制得的纳米复合材料是无机纳米复合材料，如金属、非金属、陶瓷和石英玻璃等。
目前，纳米复合材料研究的种类已涉及到有机物和非晶态材料等。
各国首先着重于纳米复合材料制备方法的研究，特别是薄膜制备法的研究。
纳米复合方法常用的有3种：溶胶一凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法。
其中溶胶一凝胶法较早用于制备有机一无机分子杂化材料或纳米复合材料；嵌入法在分子材料领域表现出很好的前景，特别是将不同的性能综合到单一的材料中去。
把具有有机／无机纳米复合材料的性能和特点的纳米颗粒材料添加到其他材料中，可以根据不同的需要选择适当的材料和添加量达到材料改性的目的，因为复合材料中增强体的尺寸降到纳米数量级会给复合材料引入新的材料性能。
首先，纳米颗粒本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面界面效应和宏观量子隧道效应等特殊的材料特性，这会给复合材料带来光、电、热、力学等方面的奇异特性；其次，纳米颗粒增强复合材料所具有的特殊结构，如高浓度界面、特殊界面结构、巨大的表面能等等必然会大大影响复合材料的宏观性能。
由无机纳米材料与有机聚合物复合而成的有机／无机纳米复合材料具有无机材料、无机纳米材料、有机聚合物材料、无机填料增强聚合物复合材料、碳纤维增强聚合物复合材料等所不具备的一些性能。
典型无机纳米材料制备
典型无机纳米材料制备无机纳米材料是指在纳米尺度范围内具有特殊性质和应用的无机材料。
其制备方法多种多样，包括物理方法、化学方法和生物合成法等。
本文将主要介绍一些典型的无机纳米材料制备方法。
1.物理方法物理方法是通过物理手段来制备无机纳米材料。
最常见的物理方法包括溅射法、蒸发法、磁控溅射法和高能球磨法等。
（1）溅射法：溅射法是利用惰性气体离子轰击固体靶材的表面，使其材料原子或原子团簇从靶表面脱落，并在基底上凝聚成薄膜或纳米结构。
这种方法制备的材料具有较好的薄膜结晶度和纳米晶粒的均匀性。
（2）蒸发法：蒸发法是利用热量将固体材料加热，使其表面原子或离子脱离固体表面，并在基底上沉积成薄膜或纳米结构。
这种方法制备的材料晶粒大小和结晶度较差，但制备过程简单。
（3）磁控溅射法：磁控溅射法是在溅射法基础上加入磁场，使得离子的运动轨迹受到磁场的约束，从而得到具有较高纯度和较好结晶度的材料。
（4）高能球磨法：高能球磨法通过高能冲击和摩擦力将粉末原料进行球磨，使其晶粒尺寸减小到纳米尺度。
这种方法简单易行，但制备的材料晶粒尺寸不均匀。
2.化学方法化学方法是通过化学反应来制备无机纳米材料。
最常见的化学方法包括溶胶-凝胶法、气相沉积法和水热法等。
（1）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是将适当的化合物溶解在溶剂中形成溶胶，然后通过化学反应或物理方法使其凝胶。
随后将凝胶加热并干燥，得到无机纳米材料。
这种方法制备的材料具有较好的纯度和较高的孔隙度。
（2）气相沉积法：气相沉积法是将气相中的材料原子或离子通过物理或化学反应沉积在基底上，形成纳米尺度的薄膜或纤维。
这种方法制备的材料薄膜结晶度高，但制备条件较为复杂。
（3）水热法：水热法是在高温高压的水溶液中，通过溶剂热和压力调节来促进反应进行，得到纳米材料。
水热法具有简便、环境友好等优点，适用于制备很多纳米材料。
3.生物合成法生物合成法是利用微生物、植物或其他生物体合成纳米材料。
最常见的生物合成方法包括微生物发酵法和植物提取法等。
无机固体材料的物理和化学性质
无机固体材料的物理和化学性质无机固体材料是指不含碳元素的固体材料。
这种材料通常由金属、非金属或各种化合物组成，具有高强度、硬度、耐磨性和高温稳定性等特点。
由于其广泛应用于工业、建筑、电子、化工、医药以及航天领域等，因此对其物理和化学性质的研究具有重要价值。
物理性质无机固体材料的物理性质主要包括晶体结构、密度、热膨胀系数、热导率、电导率和磁性等。
晶体结构是无机固体材料的重要性质之一，是确定其物理和化学性质的基础。
晶体结构影响着材料的熔点、硬度、韧性以及抗化学腐蚀等性质。
例如，钻石、蓝宝石等以碳和铝氧化物为主要成分的固体材料具有非常稳定的晶体结构，使它们具有极高的硬度和耐磨性。
密度是指单位体积内物质的质量，也是无机固体材料的一个重要物理性质。
密度高的材料通常比密度低的材料强硬，但电导率和热导率较差。
例如，金属铜具有高电导率和热导率，但密度较低，通常用于电线、电缆和散热器等应用。
相比之下，铸铁密度较高，韧性和硬度较好，通常用于汽车、机械等各种工业领域。
热膨胀系数是材料在温度变化时体积变化的程度。
所有材料都会受到温度的影响，但温度对于不同的材料来说，其影响程度是不同的。
例如，铝材料有很大的热膨胀系数，容易变形和开裂，但铜材料由于热膨胀系数较小，更适合用于制造不能变形的元件。
热导率是指单位时间内材料导热的能力，与材料的物理结构、温度以及组成有关。
无机固体材料的热导率通常非常高，这使得它们在高温环境下表现非常优异。
例如，氧化锆这种材料具有极高的熔点和热导率，适用于高温下进行热工业的应用。
电导率是指材料导电的能力，与材料的晶体结构和化学组成有关。
一些无机固体材料比如金属、半导体和陶瓷等，具有良好的电导率。
例如，柿子担子酸钾，是一种有结晶性的电解质，有电导性和良好的电化学性质，常被用于电解电池的制造工艺。
磁性是无机固体材料的重要物理性质之一，影响着材料在电子设备、航空和工业领域的应用。
无机固体材料的磁性通常可以分为铁磁性、顺磁性、反磁性和超导性等几种类型。
无机化学研究前沿
纳米颗粒和粉体
按
纳米管
形
纳米线
状
分 纳米带
类
纳米片
纳米薄膜
介孔材料
纳米金属
按
纳米晶体
化
学
纳米陶瓷
组
成
纳米玻璃
分
类
纳米高分子
纳米复合材料
三、纳米材料的分类
4.按材料物性分类
5.按应用分类
纳米半导体
按
材 纳米磁性材料
料
物 性
纳米非线性光学材料
分 类
纳米超导材料
纳米热点材料
纳米热电子材料 按 纳米光电子材料 应 用 纳米生物医用材料 分 类 纳米敏感材料
三、纳米材料的分类
1.按维数分类
• 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺 度颗粒、原子团簇等。
按
维
数 分 类
• 一维：指在空间中有二维尺度处于纳米尺度，如纳 米丝、纳米棒、纳米管等。
• 二维：指在空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、 多层膜等。
三、纳米材料的分类
2.按形状分类
3.按化学组成分类
按应用分类三纳米材料的分类纳米半导体纳米磁性材料纳米非线性光学材料纳米超导材料纳米热点材料纳米热电子材料纳米光电子材料纳米生物医用材料纳米敏感材料纳米储能材料纳米材料其特性不同于原子也不同于晶体
纳米材料
—— 无机化学研究前沿
制作人：08化学 赵百添 学号：084773036 指导老师：舒杰
目录
1.无机化学研究 前沿
纳米储能材料
四、纳米材料的结构
纳米材料，其特性不同于原子，也不同于晶体。纳米材料可 以说是一种新材料，具有特殊的结构。
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System Cubic Tetragonal Orthorhombic Hexagonal Trigonal (R) Monoclinic Triclinic Essential Symmetry 4 3-fold axes 1 4-fold axis 3 mirrors or 3 2-fold axes 1 6-fold axis 1 3-fold axis 1 2-fold axis no symmetry Symmetry axes along the body diagonals parallel to c, in the centre of ab perpendicular to each other down c down the long diagonal down the ―unique‖ axis
Plane perpendicular to y cuts at , 1, (0 1 0) plane
This diagonal cuts at 1, 1, (1 1 0) plane an index 0 means that the plane is parallel to that axis (1 0 0) ---- (0 0 1) ? (1 1 0) ---- (0 0 1) ?
Tetrahedral sites
Relation of a tetrahedron to a cube:
i.e. a cube with alternate corners missing and the tetrahedral site at the body centre
无机功能纳米材料化学
Chemistry of Functional Inorganic Materials
（ 2）
第三章 无机功能材料的结构
Why study solid structures? 合成 表征 性能 应用
1.组成分析: CHNOS元素分析, 金属元素 (ICP-AES,ICP-MS)
Lattice Planes
Imagine representing a crystal structure on a grid (lattice) which is a 3D array of points (lattice points). Can imagine dividing the grid into sets of “planes” in different orientations
Fractional coordinates
Used to locate atoms within unit cell
1.
2. 3. 4.
0, 0, 0
½, ½, 0 ½, 0, ½ 0, ½, ½
Note 1: atoms are in contact along diagonals (close packed) Note 2: all other positions described by positions above (next unit cell along)
Octahedral Sites
Coordinate ½, ½, ½ Distance = a/2
Coordinate 0, ½, 0 [=1, ½, 0] Distance = a/2
In a face centred cubic anion array, cation octahedral sites at: ½ ½ ½, ½ 0 0, 0 ½ 0, 0 0 ½
Find intercepts on a,b,c: 1/4, 2/3, 1/2 Take reciprocals 4, 3/2, 2 Multiply up to integers: (8 3 4) [if necessary]
General label is (h k l) which intersects at a/h, b/k, c/l (hkl) is the MILLER INDEX of that plane (round brackets, no commas).
NaCl
Fcc: Lattice type F NaF, KBr, MgO...
Side centred unit cell
Counting the number of atoms within the unit cell Many atoms are shared between unit cells Thinking now in 3 dimensions, we can consider the different positions of atoms as follows Atoms Shared Between: corner 8 cells face centre 2 cells body centre 1 cell edge centre 4 cells Each atom counts: 1/8 1/2 1 1/4
Seven unit cell shapes
Symmetry in 3-d
A crystal system is defined in terms of symmetry and not by crystal shape. Thus we need to look at all the symmetry arising from different shapes of unit cell.
2. Primitive and Centred Lattices
Cu
Fcc: Lattice type F Cu, Ag, Au, Al, Ni...
-Irபைடு நூலகம்n
Bcc: Lattice type I -Iron Nb, Ta, Ba, Mo...
CsCl
primitive cubic Lattice type P CsCl, CuZn, CsBr, LiAg...
• All planes in a set are identical • The planes are “imaginary” • The perpendicular distance between pairs of adjacent planes is the d-spacing Need to label planes to be able to identify them
5. d-spacing formula
• For orthorhombic crystals:
1 h2 k 2 l 2 2 2 2 2 d a b c
1 h2 k 2 l 2 2 d a2
•
For cubic crystals a=b=c:
6. Calculations - bond lengths etc. and interstitials
2.元素价态分析: X射线光电子能谱(XPS), UV光电子能谱(UPS)
3.结构分析: X射线衍射(PXRD/SXRD, SAXRD), 红外(IR)/拉曼(Raman)光谱、固体核磁共振(MAS-NMR)
3.形貌表征: 电子显微镜(SEM、TEM、STM、AFM).
Objectives
By the end of this section you should: • understand the concepts in crystals: unit cell, crystal plane, Miller Index, d-spacing • be able to use software to draw a sketch of crystal structure. • understand the concept of diffraction in crystals and be able to use Bragg‟s law • be able to analysis common XRD、HRTEM and SAED patterns.
Unit cell contents are 4(Na+Cl-)
4. Lattice Planes and Miller Indices • understand the concept of planes in crystals • know that planes are identified by their Miller Index and their separation, d • be able to calculate Miller Indices for planes • know and be able to use the d-spacing equation for orthogonal crystals
3. Unit cell contents
Exercise
lattice type P I F C cell contents 1 [=8 x 1/8]
e.g. NaCl Na at corners: (8 1/8) = 1 Na at face centres (6 1/2) = 3 Cl at edge centres (12 1/4) = 3 Cl at body centre = 1
第一节 晶体结构中的基本概念
Early Concepts • Crystals are solid - but solids are not necessarily crystalline • Crystals have symmetry and long range order • Description of solid: Symmetry, Space group