纳米材料参考答案

纳米材料与纳米结构复习题

1. 简单论述纳米材料的定义与分类。答：广义上讲：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度围，或由他们作为基本单元构成的材料。

按维数，纳米材料可分为三类：零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。

二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称

2. 什么是原子团簇? 谈谈它的分类。

答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体(粒径一般等于或小于1nm)

例如：C n H m (n与m都是整数)；碳簇(C60、C70和富勒烯等)

原子团簇的分类：

a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。

b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。

c多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等

d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag) n(NH 3)m等。

3. 通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径?

答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常

灵敏的方法。100-400cm -1围出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式；

1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。

单臂管的直径 d 与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w 。式中的 d 单壁管的直径，nm；w 为特征拉曼峰的波数cm-1

4. 论述碳纳米管的生长机理。

答：采用化学气相沉积( CVD) 在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金

属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子

从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。

各种生长模型

1 、五元环－七元环缺陷沉积生长2、层－层相互作用生长3、层流生长

4、顶端生长

5、根部生长

6、喷塑模式生长

7、守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke) 的合理性

生长机理表面扩散生长机理：不是生长一单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管

VLS （气-液-固）顶端生长模型示意图

5. 论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。

答：气相法生长纳米线一般按照气 -液個（V-L-S ）和气-固（V-S ）生长机理

气-液-固（V-L-S ）生长机理： 首先在衬底表面沉积一层具有催化作用的薄膜（通常为 Au ），在一定温度下，Au 与衬底形成合金液滴或单独形成液滴。

此时通过载气或热蒸发， 将反应物原子带到合金液滴处，凝聚成核。当这些原子在液滴中达到饱和后，会在液滴 表面结晶，析出并生长成纳米线，最终合金留在纳米线的一端。由于形成的合金液滴尺 寸很小，并且纳米线只能在催化剂液滴上进行顶端或根部生长，

因此能够生长出纳米线。

气個（Vapor-solid,V-S ）

生长法原理

顶端生长和根部生长：生长机理是 V-L-S 生长机理，关键特征：体相扩散。如果催化剂

保留在纳米管顶端，为顶端生长；如果催化剂保留在底部，为根部生长。

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凹坑或蚀丘为纳米丝提供了成核位置，并且它的尺寸限定纳米丝的临界成核直径，因此 在制备MgO 纳米丝时，Mg 蒸汽在氩气的传送下，能够在生长区生长成纳米丝。

溶液法生长纳米线一般按照溶液 -液相-固相（S-L-S ）和选择性吸附生长机理

溶液-液相-固相（S-L-S ）生长机理与 V-L-S 生长机理相同，只是按

V-L-S 机制生长，原 料由气相提供；而 S-L-S 机制的原料是由溶液提供的。

就功I RM i

制备中，C 2O 22-选择性吸附在 ZnO 的侧面，从而抑制了侧面的生长，从而使 ZnO

沿C 轴方向生长出超长纳米线。 6•解释纳米颗粒红外吸收带的宽化和蓝移的原因。

答：红外吸收带宽化的原因：

纳米氮化硅、SiC 、及Al 2O 3粉，对红外有一个宽频带强吸收谱。由于纳米粒子大的比 表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个单 一的，择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下，它们 对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布。这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。 蓝移原因：

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在

蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 主要由于表面效应引起： 由于纳米微粒尺寸小， 大的表面力使晶格畸变， 晶格常数变小。 对纳米氧化物和氮化物小粒子研究表明：

第一近邻和第二近邻的距离变短。 键长的缩短 导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数，即蓝移（化 学键的振

动）。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。

答：光催化的基本原理：当半导体纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子 从价带跃迁到导带，产生电子空穴时，电子具有还原性，空穴具有氧化性。空穴与半导 体纳米粒子表面 OH-反应生成氧化性很高的 OH 自由基，这种活泼的 OH 自由基可把 许多难降解的有机物氧化为 CO 2和H 20等无机物。

半导体的光催化活性主要取决于：导带与价带的氧化

一还原电位。价带的氧化 一还 原电位越正，导带的氧化 一还原电位越负，则光生电子和空穴的还原及氧化能力越强， 光催化的效率就越高。

提高光催化活性的途径：1•减小半导体光催化剂的颗粒尺寸，可以提高其催化效率。纳 米半导体的尺寸越小，处于表面的原子越多，比表面积越大，大大增强了半导体催化吸

附的能力从而提高了光催化降解有机物的能力 选择性吸附生长机理：

不同的吸附剂会选择性的通过吸附键的形式（不是物理吸附）吸

附 14 .1]珀◎注」I 氏山

附在特定晶面上，从而抑制该方向的生长，从而得到超长的纳米线。在

ZnO 纳米线的