纳米材料的制备与表征摘录(打印)

纳米材料的制备与表征方法摘录

作者姓名：彭家仁

单位：五邑大学广东江门

摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。

关键词:纳米材料;结构特性;特异效应；应用;制备方法

Methods of Preparation and Characterization of nano-materials

Kevin Peng

(WUYI University Jiangmen Guangdong)

Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials.

Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言

从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1～100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。

1结构特性

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同,因此在这方面的研究报道不多。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大,当晶粒尺寸为10nm时,一个金属纳米晶内的界面可达6×1025m2时,晶界原子达15%～50%,可以用TEM(透射电镜)、X 射线、中子衍射以及其他方法来表征纳米材料及其结构。为描述纳米晶界结构,人们提出了许多模型,概括起来可分为三种不同的学说Gleiter的完全无序说、Siegel的有序说和有序无序说。

目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构。其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂,它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关,而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布,它们处于无序到有序的中间状态,有的与粗晶界面结构十分接近,而有的则更趋于无序状态。

2特异效应与性能

正是由于上述纳米材料结构上的特殊性和处于热力学上极不稳定的状态,导致了它具有如下四方面的特异效应,并由此派生出传统固体不具有的许多物理化学性能。

2.1特异效应

(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,纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级,能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。(2)小尺寸效应(或体积效应)

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透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体的周期性的边界条件将被破坏;在非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化,这就是纳米粒子的小尺寸效应。(3)表面与界面效应

表面效应是指纳米微粒表面原子与总原子数之比,随粒径的变小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小,位于表面的原子所占的体积分数很大,产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小,比表面积急剧加大,表面原子数及比例迅速增大。

(4)宏观量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发,解释粒子能够穿越比总能量高的势垒,这是一种微观现象。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。(5)介电限域效应

随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加,其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。

2.2物理化学性能

纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体,也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时,纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用,强烈地影响物质的宏观性质。

(1)化学性能

纳米材料由于其粒径的减小,表面原子数所占比例很大,吸附能力强,因而具有较高的化学反应活性。

2)催化性能

在适当的条件下,可以催化断裂H-H、C-C、C-H和C-O键。这是由于比表面积大,出现在表面上的活性中心数增多所致。纳米材料作为催化剂具有无细孔、无其他成分、能自由选择组分、使用条件温和、使用方便