金属纳米材料研究进展

高等物理化学

学生姓名：聂荣健

学号：……………..

学院：化工学院

专业：应用化学

指导教师：………….

金属氧化物纳米材料研究进展

应用化学专业聂荣健学号：……指导老师：……

摘要:综述了近年来金属氧化物纳米材料水热合成方法的研究进展，简要阐述了金属氧化物纳米材料的应用，对其今后的研究发展方向进行了展望。

关键词: 纳米材料水热合成金属氧化物

Research progress of metal oxide nanomaterials

Name Rongjian Nie

Abstract: This article reviews the recent progress in hydrothermal synthesis of metal oxide nanomaterials. The application progress of metal oxide nanomaterials is briefly describrd．The future research directions are prospected.

Keywords: nanomaterials; hydrothermal; metal oxides

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引言

纳米材料是纳米科学中的一个重要的研究发展方向，近年来已在许多科学领域引起了广泛的重视，成为材料科学研究的热点。作为纳米材料的一个方面，金属氧化物纳米材料在现代工业、国防和高技术发展中充当着重要的角色。

1.纳米材料简介

1.1 纳米材料概述

纳米是长度的度量单位，1纳米=10-9米，1纳米大约为10个氢原子并排起来的长度，仅仅相当于一根头发丝直径的0.1%。纳米材料则是在纳米量级（lnm-100nm)内调控物质结构所制成的具有特殊功能的新材料，其三维尺寸中至少有一维小于100nm，且性质不同于一般的块体材料。

纳米材料是指在三维尺度上至少存在一维处于纳米量级或者由它们作为基本单元所构成的材料，一般将纳米材料分为零维、一维以及二维纳米材料:

(1)零维纳米材料，是指在空间三维尺度上都处于纳米量级的纳米材料，如纳米球，纳米颗粒等；

(2)一维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有两维处于纳米量级，而第三维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米棒、纳米管、纳米线/丝等；

(3)二维纳米材料，是指在空间三维尺度上只有一维处于纳米量级，而其他两维处于宏观量级的纳米材料，比如纳米片，纳米薄膜等。

1.2纳米粒子基本效应的研究

纳米粒子是尺寸为1-100nm的超细粒子。纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着粒径的减小而急剧增大，显示出强烈的体积效应(即小尺寸效应)、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应。

1.2.1 量子尺寸效应[1]

当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能带理论表明:金属纳米粒子所包含的原子数有限，能级间距发生分裂。当此能级间隔大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，纳米粒子的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体有显著的不同。

1.2.2 体积效应[2]

由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为体积效应。当纳米粒子的尺寸与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；非晶态纳米粒子的表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性呈现新的体积效应。例如：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加；声子谱发生改变；强磁性纳米粒子(Fe-Co合金，氧化铁等)尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变[3]。

1.2.3 表面效应[4]

表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧增大后引起的性质上改变。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，粒子的表面张力和表面能增加。原子配位不足以及高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极不稳定，很容易与其他原子结合，这就是活性的原因。表面原子的活性引起了纳米粒子表面输运和构型的变化，也引起了表面原子自旋构象和电子能谱的变化。

例如:化学惰性的Pt制成纳米微粒Pt后成为活性极好的催化剂。

1.2.4 宏观量子隧道效应[5]

微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。量子隧道效应是未来微电子器件的基础，它确定了现存微电子器件进一步微型化的极限。

2 金属氧化物纳米材料的表征[6]

2.1 XRD

X 射线衍射是分析固体物质结构的重要工具，它依据 X 射线在晶体中的衍射遵守布拉格定律，对试样的相组成，晶格常数，结晶度和颗粒尺寸进行分析。其基本原理是用波长λ的X射线照射到试样上，在不同角度出现一系列不同强度的衍射峰，通过分析峰的位置，强度和形状即可获知晶体结构特性。

2.2 SEM

扫描电子显微镜是研究材料微观形貌的有力工具，广泛应用于材料，化学，医学等相关领域中。其基本原理是聚焦在试样上的电子束在一定范围内作栅状扫描运动，在试样表层产生背散射电子、二次电子、可见荧光、X 射线等，通过探测这些信号，可获知试样的微观组织、形貌、均匀性、颗粒大小及表面形态等信息。同时，还可以通过配套的 X 射线能谱仪（EDS）对材料的元素组成及分布进行定性和半定量分析。

2.3 TEM

TEM 透射电子显微镜是一种高分辨率、高放大倍数的显微镜，通常可用于观察微小样品的形貌及内部结构，是一种准确、可靠、直观的测定分析方法。其基本原理是把加速和聚焦的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，得到透射电子作为信号的实像。经放大后可在观察屏上投射出所测试样的像，从而对试样的微观结构，形貌和组织特点进行分析。

2.4 FTIR

红外光谱与分子的结构密切相关，是表征分子结构的一种重要手段。其基本原理是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，分子中某些基团的振动频率或转动频率和一定波长的红外射线的频率一样时，伴随能量的吸收，分子就由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，这一过程中即伴随着分子的红外吸收光谱的产生。把试样的红外光谱与标准光谱进行比对即可快速判定试样成分

2.5 BET

即测量在一定压力下，气体在固体表面的吸附特性，并以著名的 BET 理论为基础，利用理论模型等效求出待测样品的比表面积及孔径分布。BET 被广泛应用于颗粒表面吸附性能研究及相关检测数据的处理。

2.6 TG

热分析是利用热力学参数或物理参数随温度变化进行分析的方法，它能快速测定物质的晶型转变、吸附、升华、熔融、脱水等相变。常用的技术包括差热分析，热重分析。

3金属氧化物纳米材料制备研究进展

尽管纳米材料的研究年限还不长，但目前为止，己有多种方法用于金属氧化