纳米及纳米催化技术ppt课件
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中科院纳米材料课件05
P. Li, Appl. Catal. B 43 (2003) 151. R. M. Rioux, J. Phys. Chem. B 109 (2005) 2192. V. Subramanian, JACS. 126 (2004) 4943.
Some counterexamples
1. Carbon nanofibers supported cobalt catalysts for the FischerTropsch reaction Pt/SiO2-for CO oxidation.
• •
•
CO+NO reaction on palladium The activities of the more open (100) and (110) surfaces were about 5 times lower than the activity of the more close-packed (111) surface. Adsorption, dissociation, stabilization.
光催化的基本原理是：
当半导体氧化物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，产生了电子— —空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空 穴与氧化物半导体表面的OH-反应生成氧化性很高 的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解 的有机物氧化为CO2和H2O等无机物。
TiO2的能带位置与被吸附物质的还原电势，决定了其光 催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化-还原反应， 要求受体电势比TiO2导带电势更正，给体电势比TiO2价 带电势更负，才能发生氧化-还原反应。
OH- + h+ → OH* H2O + h+ → OH* + H+ 实验表明．TiO2表面的空穴具有大的反 应活性。它可以将吸附在表面的OH-和H2O分 子氧化形成具有很强氧化性的羟基自由基 (OH* )，OH*能氧化绝大多数有机污染物和 部分无机污染物，将其最终降解为CO2、H2O 等无害物质。 此外．许多污染物也可能直接 被空穴所氧化。
纳米光催化反应与应用PPT课件
催化光反应：光辐射被吸附分子吸收时，该分 子与基态催化剂相互作用。
敏化光反应：光辐射发生在催化剂上，处于激 发态的催化剂，将电子或 能量 转移给基态的吸附分子。
.
24
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25
导带
价带
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28
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30
纳米半导体具有高光催化活性的原因：
（1）粒径小，量子尺寸效应显著，导带和价带的能隙变 宽，光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能 力； （2）粒径小，电子易于扩散到晶粒表面，减少光生电子 和空穴的复合，有效提高光效率； （3）粒径小，表面积增大，吸附反应物增强，促进光催 化反应；
的长度。
纳米科技：在纳米尺度空间（0.1～100nm）研究物质的特性和相
互作用。
.
7
在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学 科领域，在创造新的生产工艺、新的物质和新产品等方面有巨大潜能。
纳米材料：由1～100nm间的粒子组成，介于宏观物质和微观原子、分 子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。
相光催化反应，如光解水、CO2和N2的固化、降解污染物、有机 合成等。
此外，纳米半导体能够催化体相半导体所不能进行的反应。 如 ZnS半导体粒子，对于光催化还原CO2显示出效率高达80%的 量子效率，而体相半导体则无任何光催化活性。
原因： （1）量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立的能级，能隙变 宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。纳米半导体粒 子获得了更强的氧化和还原能力，提高光催化活性。 （2）粒径通常小于空间电荷层的厚度，可忽略空间电荷层的影 响。光生载流子可通过简单的扩散，从粒子内部迁移到粒子表 面，与电子给体或受体发生还原或氧化反应。
敏化光反应：光辐射发生在催化剂上，处于激 发态的催化剂，将电子或 能量 转移给基态的吸附分子。
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导带
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纳米半导体具有高光催化活性的原因：
（1）粒径小，量子尺寸效应显著，导带和价带的能隙变 宽，光生电子和空穴能量更高，具有更高的氧化、还原能 力； （2）粒径小，电子易于扩散到晶粒表面，减少光生电子 和空穴的复合，有效提高光效率； （3）粒径小，表面积增大，吸附反应物增强，促进光催 化反应；
的长度。
纳米科技：在纳米尺度空间（0.1～100nm）研究物质的特性和相
互作用。
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7
在20世纪80年代末90年代初逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学 科领域，在创造新的生产工艺、新的物质和新产品等方面有巨大潜能。
纳米材料：由1～100nm间的粒子组成，介于宏观物质和微观原子、分 子交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。
相光催化反应，如光解水、CO2和N2的固化、降解污染物、有机 合成等。
此外，纳米半导体能够催化体相半导体所不能进行的反应。 如 ZnS半导体粒子，对于光催化还原CO2显示出效率高达80%的 量子效率，而体相半导体则无任何光催化活性。
原因： （1）量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立的能级，能隙变 宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。纳米半导体粒 子获得了更强的氧化和还原能力，提高光催化活性。 （2）粒径通常小于空间电荷层的厚度，可忽略空间电荷层的影 响。光生载流子可通过简单的扩散，从粒子内部迁移到粒子表 面，与电子给体或受体发生还原或氧化反应。
纳米材料应用PPT课件
纳米催化剂
利用纳米催化剂对汽车尾 气、工业废气等进行处理， 减少大气中有害气体的排 放。
纳米滤网
利用纳米滤网对空气中的 颗粒物、病毒、细菌等进 行过滤，提高空气质量。
纳米脱硫脱硝技术
利用纳米技术对燃煤烟气 中的硫化物和氮化物进行 脱除，减少酸雨和光化学 烟雾的形成。
土壤修复
纳米肥料
纳米微生物
利用纳米技术将养分制成纳米级肥料， 提高肥料的利用率，减少化肥的使用 量。
目前面临的挑战与问题
安全问题
技术难题
纳米材料可能对人体健康和环境产生潜在 风险，需要加强安全评估和监管。
பைடு நூலகம்
纳米技术的生产成本高，技术难度大，需 要进一步研究和创新。
法规缺失
公众认知
目前缺乏针对纳米技术的专门法规和标准 ，需要完善相关法律法规。
提高公众对纳米技术的认知和理解，加强 科普宣传和教育。
解决策略与建议
太阳能电池
总结词
太阳能电池是利用纳米材料吸收太阳光并转化为电能的装置，具有高效、环保和可持续的特点。
详细描述
太阳能电池中的吸光材料通常为纳米级的多晶硅、染料或量子点等，能够吸收太阳光的可见光和近红外光，提高 太阳能的利用率。常见的太阳能电池包括晶体硅太阳能电池、染料敏化太阳能电池和量子点太阳能电池等。
分子诊断
纳米材料可以识别和检测生物标志物 和基因突变，实现疾病的早期诊断和 个性化治疗。
生物组织工程
组织修复与再生
利用纳米材料作为支架材料，引导细 胞生长和分化，促进受损组织的修复 和再生。
生物相容性
纳米材料可以提高植入材料的生物相 容性，降低免疫排斥反应，提高植入 成功率。
05 纳米材料在环保领域的应 用
纳米材料及纳米技术应用PPT课件
02
03
生物检测
纳米材料可以作为药物的载体， 实现药物的精准传输和定向释放， 提高治疗效果并降低副作用。
纳米材料可以增强医学成像的效 果，提高诊断的准确性和可靠性。
纳米材料可以用于检测生物标志 物和病原体，快速、准确地诊断 疾病。
环境领域
空气净化
纳米材料可以用于空气过滤和净化，去除空气中的有 害物质和异味。
感谢您的观看
03 纳米技术的应用领域
能源领域
高效电池
01
纳米技术可以改善电池的能量密度和充电速度，提高电池的效
率和寿命。
太阳能利用
02
纳米结构可以增强太阳能电池的光吸收和光电转换效率，降低
成本并提高发电量。
燃料电池
03
纳米材料可以提高燃料电池的效率和稳定性，降低燃料电池的
重量和体积。
医疗领域
01
药物传输
医学成像
水处理
纳米技术可以用于水处理，去除水中的有害物质和杂 质，提高水质和安全性。
土壤修复
纳米材料可以用于土壤修复，去除土壤中的重金属和 有害物质，降低土壤污染的风险。
04 纳米材料的安全与伦理问 题
纳米材料对环境和生态系统的影响
纳米材料在环境中的迁移 和转化
纳米材料在土壤、水体和大气中的分布、转 化和归趋，可能对生态系统产生影响。
2000年代以后，随着技术的不 断进步和应用领域的扩大，纳 米科技逐渐成为全球科技领域 的研究热点。
02 纳米材料的基本特性
小尺寸效应
总结词
随着纳米材料尺寸的减小，其物理、化学和机械性能发生变化的现象。
详细描述
当物质尺寸减小到纳米量级时，由于量子尺寸效应和表面效应的影响，纳米材 料的物理、化学和机械性能会发生显著变化，表现出不同于常规材料的特性。
纳米及纳米催化技术ppt课件
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主 要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳 米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、 纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体 系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减 小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用 的各种器件。
25
美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量 子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。 利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在 微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将 几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于 大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它 将为研制智能型微型电脑带来希望。
33
• 红外反射材料 • 优异的光吸收材料：吸收红外、紫外光、微波 等电磁波，在军事上用作隐身材料，屏蔽红外探 测器和雷达（美国F117A型飞机）。在化妆品中， 只需含纳米TiO2 0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。 • 纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应 用。如将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中， 可以大大降低静电作用。
纳米及纳米催化技术
1
1025 m（10亿光年）
103 m (km) 1m
目前人类研究能 达到的最大距离
10 -3 m (mm) 10 -6 m (μm)
目前人类研究能 达到的最小距离
纳米
10 -9 m (nm)
10 -19 m
2
纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之 间的物质组成的体系的运动规律和 相互作用以及可能的实际应用 中的科学技术问题。
8
用扫描隧道 显微镜的针尖 将原子一个个 地排成汉字， 汉字的大小只 有几个纳米。
9
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵 48个原子，使它们排成圆形，圆形上原子的某些电子 向外传播，逐渐减少，同时与向内传播的电子相互干 涉形成干涉波。
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美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量 子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。 利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在 微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将 几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于 大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它 将为研制智能型微型电脑带来希望。
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• 红外反射材料 • 优异的光吸收材料：吸收红外、紫外光、微波 等电磁波，在军事上用作隐身材料，屏蔽红外探 测器和雷达（美国F117A型飞机）。在化妆品中， 只需含纳米TiO2 0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。 • 纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应 用。如将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中， 可以大大降低静电作用。
纳米及纳米催化技术
1
1025 m（10亿光年）
103 m (km) 1m
目前人类研究能 达到的最大距离
10 -3 m (mm) 10 -6 m (μm)
目前人类研究能 达到的最小距离
纳米
10 -9 m (nm)
10 -19 m
2
纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之 间的物质组成的体系的运动规律和 相互作用以及可能的实际应用 中的科学技术问题。
8
用扫描隧道 显微镜的针尖 将原子一个个 地排成汉字， 汉字的大小只 有几个纳米。
9
用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵 48个原子，使它们排成圆形，圆形上原子的某些电子 向外传播，逐渐减少，同时与向内传播的电子相互干 涉形成干涉波。
《纳米技术》课件
上形成薄膜或结构。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
化学气相沉积
利用化学反应，将衬底上的材 料通过化学反应转化为固态薄
膜或结构。
纳米制造技术的应用
微电子器件制造
利用纳米制造技术可以制造出 更小、更快、更低功耗的微电
子器件。
生物医学应用
纳米制造技术可以用于药物输 送、组织工程和诊断试剂的制 备。
环境监测与治理
纳米制造技术可以用于环境监 测和治理领域，例如空气和水 的净化等。
纳米技术的研发和应用需要克服许多技术难 题，如纳米尺度下的控制和测量等。
02
01
成本问题
纳米技术的研发和应用需要大量的资金和资 源投入，成本较高。
04
03
如何应对纳米技术的挑战
加强监管
建立完善的监管体系， 对纳米技术的安全性和 伦理问题进行评估和管 理。
促进合作
加强国际合作和交流， 共同推进纳米技术的研 发和应用。
医疗领域
用于药物输送、肿瘤诊 断和治疗、生物成像等 。
环境领域
用于水处理、空气净化 、土壤修复等。
电子信息领域
用于制造高灵敏度传感 器、超高速集成电路、 高精度光学器件等。
03 纳米制造技术
纳米制造技术的定义与分类
定义
纳米制造技术是指通过控制原子、分 子等微观粒子，在纳米尺度上制造物 质和器件的工艺和技术。
利用纳米技术提高太阳能电池、燃料电池和 储能设备的效率和性能。
环境
利用纳米技术检测和治理环境污染，如水处 理和空气净化。
D
纳米技术的发展历程
1986年，扫描隧道显微镜的 发明，使科学家能够直接观 察到原子和分子的排列。
1989年，碳纳米管的发现， 为纳米材料的研究和应用开 辟了新的领域。
纳米技术的基础知识PPT(88张)
3．纳米结构的检测与表征
为在纳米尺度上研究材料和器件的结 构及性能，发现新现象，发展新方法，创 造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表 征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各 种纳米结构的电、力、磁、光学特性，纳 米空间的化学反应过程，物理传输过程， 以及研究原子、分子的排列、组装与奇异 物性的关系。
传感器是纳米技术应用的一个重要领 域。随着纳米技术的进步，造价更低、功 能更强的微型传感器将广泛应用在社会生 活的各个方面。比如，将微型传感器装在 包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵 重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型 传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮 胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更 换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型 传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的 工作性能进行监视。在食品工业领域，这 种微型传感器可用来监测食物是否变质， 比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状 况等。
德国拟建立或改组六个政府与企
业联合的研发中心，并启动国家级的 研究计划。
法国最近决定投资8亿法郎建立一 个占地8公顷、建筑面积为6万平方米、 拥有3500人的微米／纳米技术发明中 心，配备最先进的仪器设备和超净室， 并成立微米纳米技术之家，专门负责 申请专利和帮助研究人员建立创新企 业。
日本除继续推动早已开始的纳米科 技计划外，每年投资2亿美元推动新的 国家计划和新的研究中心建设。
4．医学与健康
纳米技术将给医学带来变革：纳 米级粒子将使药物在人体内的传输更 为方便，用数层纳米粒子包裹的智能 药物进入人体后，可主动搜索并攻击 癌细胞或修补损伤组织，科研人员已 经成功利用纳米微粒进行了细胞分离， 用金的纳米粒子进行定位病变治疗， 以减少副作用等。；在人工器官外面 涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反 应；研究耐用的与人体友好的人工组 织、器官复明和复聪器件；疾病早期 诊断的纳米传感器系统。
纳米催化剂展望PPT课件
26
表面修饰的改质剂具体特点
• ①改质条件温和，改质温度在50～100℃之间，完全可以利用再生余热实 现热量优化使用。
• ②纳米介孔结构碳分子筛具有表面酸性，能有效处理柴油中碱氮组分， 脱氮率可达80％以上。
• ③纳米介孔结构碳分子筛可脱除柴油中的酸性硫组分，如硫醇，脱硫醇 率高达90％以上，具有很高的脱臭能力。
28
生物技术领域的应用展望
29
酶催化工业技术598
30
酶催化工业技术开发
31
酶催化工业设计
包括酶的筛选、培养、分离甚至固定等不同的工序
32
33
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
34
结束语
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
讲师：XXXXXX
XX年XX月XX日
35
12
精细化学品的环境友好生产
• 主要有以下特点： • ①最好防止废弃物的生成，而不是在废弃物生成后再进行处理或清除；
②充分考虑原子的经济利用，即在设计合成方法时，考虑原料进入最终产物的有 效率，使所用的全部材料最大限度地进入到最终产品中； • ③在合成过程中所使用与产生的物质应对环境与人类健康没有毒害； • ④化学产品的设计应达到既能保持功能有效，又能尽量减少毒性； ⑤尽量不使用辅助物质(如溶剂、分离剂等)，如果不得不使用，则它们应是无毒 物质； • ⑥化学过程应达到最小的能量需求，而且要考虑到对于环境和经济上的影响，合 成过程最好是在室温和常压下进行； • ⑦原材料应可以再利用，而不是一次耗尽； • ⑧避免使用不必要的添加物质，如阻断剂、保护剂与解除保护剂、物理化学过程 的瞬时改良剂等； ⑨尽量采用催化剂，其选择性应明显优于一般的化学反应； • ⑾设计化学产品时，应使其功能终结后不会在环境中长期存在，而是容易分解为 无害的降解产物； ⑿所开发的分析方法应是能在线地和实时地应用的方法，有害物质生成之前就能 对其进行有效控制；
表面修饰的改质剂具体特点
• ①改质条件温和，改质温度在50～100℃之间，完全可以利用再生余热实 现热量优化使用。
• ②纳米介孔结构碳分子筛具有表面酸性，能有效处理柴油中碱氮组分， 脱氮率可达80％以上。
• ③纳米介孔结构碳分子筛可脱除柴油中的酸性硫组分，如硫醇，脱硫醇 率高达90％以上，具有很高的脱臭能力。
28
生物技术领域的应用展望
29
酶催化工业技术598
30
酶催化工业技术开发
31
酶催化工业设计
包括酶的筛选、培养、分离甚至固定等不同的工序
32
33
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
34
结束语
感谢聆听
不足之处请大家批评指导
Please Criticize And Guide The Shortcomings
讲师：XXXXXX
XX年XX月XX日
35
12
精细化学品的环境友好生产
• 主要有以下特点： • ①最好防止废弃物的生成，而不是在废弃物生成后再进行处理或清除；
②充分考虑原子的经济利用，即在设计合成方法时，考虑原料进入最终产物的有 效率，使所用的全部材料最大限度地进入到最终产品中； • ③在合成过程中所使用与产生的物质应对环境与人类健康没有毒害； • ④化学产品的设计应达到既能保持功能有效，又能尽量减少毒性； ⑤尽量不使用辅助物质(如溶剂、分离剂等)，如果不得不使用，则它们应是无毒 物质； • ⑥化学过程应达到最小的能量需求，而且要考虑到对于环境和经济上的影响，合 成过程最好是在室温和常压下进行； • ⑦原材料应可以再利用，而不是一次耗尽； • ⑧避免使用不必要的添加物质，如阻断剂、保护剂与解除保护剂、物理化学过程 的瞬时改良剂等； ⑨尽量采用催化剂，其选择性应明显优于一般的化学反应； • ⑾设计化学产品时，应使其功能终结后不会在环境中长期存在，而是容易分解为 无害的降解产物； ⑿所开发的分析方法应是能在线地和实时地应用的方法，有害物质生成之前就能 对其进行有效控制；
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17
二、纳米材料的制备技术
• 活性氢－熔融金属反应法：使氢气的等离子体与 金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等 气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体 中形成了金属的超微粒子，用离心或过滤式收集 器收集。
• 溅射法：用二块金属板作为电极，阴极为蒸发用 的材料，极间充入Ar，施加电压为0.3－1.5 kV。 该法选用范围广，制备多组分材料，产量高。
19
二、纳米材料的制备技术
• 化学气相凝聚法（CVC）和燃烧火焰－化学气 相凝聚法（CF－CVC）：是金属有机物分子前驱 体热解获得超微粒子的常用方法。它是利用高纯 惰性气体作为载气，携带金属有机物分子进入钼 丝炉（1100－1400℃）或火焰喷嘴热解获得超微 粒子。
20
二、纳米材料的制备技术
2、液相法
纳米及纳米催化技术
1
1025 m（10亿光年）
103 m (km) 1m
目前人类研究能 达到的最大距离
10 -3 m (mm) 10 -6 m (μm)
目前人类研究能 达到的最小距离
纳米
10 -9 m (nm)
10 -19 m
2
纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之 间的物质组成的体系的运动规律和 相互作用以及可能的实际应用 中的科学技术问题。
16
二、纳米材料的制备技术
1、气相法
• 在低压气体中蒸发法：在超高真空中充入低压 惰性气体，将欲蒸物质（金属、CaF2、NaCl、 FeF等离子化合物、过渡金属氮化物、易升华氧 化物等）置于坩埚内，通过钨电阻或石墨加热 器加热蒸发，蒸气在惰性气体带动下在液氮冷 却棒（77K）上冷凝，再用聚四氟乙烯刮刀刮下 得到纳米粉。
由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使 材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光， 机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗 粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。
15
一、纳米材料的特性
纳米相铜强度比普通铜高诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金 属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等 新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未 能解决的问题开拓了新的途径。
18
二、纳米材料的制备技术
• 流动液面上的真空蒸镀法：在高真空中蒸发的金 属原子在流动的油面内形成极超微粒子。产品为 含有大量超微粒子的糊状油。 • 通电加热蒸发法：通过金属与碳棒接触，通电加 热使金属熔融并蒸发形成金属碳化物超微粒子。
• 激光诱导化学气相沉积法：利用反应气体分子对 特定波长激光束的吸收，引起气体分子激光光解、 激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应， 在一定工艺条件下获得超微粒子。
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一、纳米材料的特性
2、纳米材料的体积效应
由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很 少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用 通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明， 这种特殊的现象通常称之为体积效应。
13
一、纳米材料的特性
3、纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒 子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级， 使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺 寸效应。
随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大， 电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽， 金属导体将变为绝缘体。
14
一、纳米材料的特性
由于处于分立的量子化能级中电子的波动性使纳米 粒子具有一系列特殊性质，导致声、光、电、磁、热力 学等特性出现异常。
如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔 点降低，增强微波吸收，特异的催化和光催化性质等。
• 创造和制备优异性能的纳米材料 • 设计、制备各种纳米器件和装置 • 探测和分析纳米区域的性质和现象
6
纳米科技主要包括
1、纳米物理学 2、纳米化学 3、纳米材料学 4、纳米生物学 5、纳米电子学 6、纳米加工学 7、纳米力学
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纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代未、 90年代初。80年代初发明了Feynman所期望的纳米 科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、 原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们 对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。
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用扫描隧道 显微镜的针尖 将原子一个个 地排成汉字， 汉字的大小只 有几个纳米。
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用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵 48个原子，使它们排成圆形，圆形上原子的某些电子 向外传播，逐渐减少，同时与向内传播的电子相互干 涉形成干涉波。
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用扫描隧道显微镜拍摄的富勒烯照片，可 以见到C60的单个分子
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当 物 质 小 到 1—100nm(10-9—10-7m) 时 ， 由 于 其 量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效 应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既 不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异 现象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子 及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化 学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
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一、纳米材料的特性
1、纳米材料的表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数 与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的 性质上的变化。如下图所示：
粒径在10nm以下，将迅速增加表面原 子的比例。当粒径降到1nm时，表面原 子数比例达到约90%以上，原子几乎全 部集中到纳米粒子的表面。此时由于 表面原子配位数不足和高的表面能， 使这些原子易与其它原子相结合而稳 定下来，故具有很高的化学活性。
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1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学 技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的 一个新分支。
纳米材料介于宏观物质和微观原子、分子的 中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例， 而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互 不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种 新的结构状态。
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纳米科技的主要研究内容
• 沉淀法： •金属醇盐水解法： •共沉淀法 •单相共沉淀 •混合共沉淀 •均相沉淀法：利用尿素在70℃以上水解成 氨和CO2
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• 喷雾法： •喷雾干燥法 •雾化水解法 •雾化焙烧法
• 水热法（高温水解法）： •水热氧化 •水热沉淀 •水热合成 •水热还原 •水热分解 •水热结晶
二、纳米材料的制备技术
• 活性氢－熔融金属反应法：使氢气的等离子体与 金属间产生电弧，使金属熔融，电离的N2、Ar等 气体和H2溶入熔融金属，然后释放出来，在气体 中形成了金属的超微粒子，用离心或过滤式收集 器收集。
• 溅射法：用二块金属板作为电极，阴极为蒸发用 的材料，极间充入Ar，施加电压为0.3－1.5 kV。 该法选用范围广，制备多组分材料，产量高。
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二、纳米材料的制备技术
• 化学气相凝聚法（CVC）和燃烧火焰－化学气 相凝聚法（CF－CVC）：是金属有机物分子前驱 体热解获得超微粒子的常用方法。它是利用高纯 惰性气体作为载气，携带金属有机物分子进入钼 丝炉（1100－1400℃）或火焰喷嘴热解获得超微 粒子。
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二、纳米材料的制备技术
2、液相法
纳米及纳米催化技术
1
1025 m（10亿光年）
103 m (km) 1m
目前人类研究能 达到的最大距离
10 -3 m (mm) 10 -6 m (μm)
目前人类研究能 达到的最小距离
纳米
10 -9 m (nm)
10 -19 m
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纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之 间的物质组成的体系的运动规律和 相互作用以及可能的实际应用 中的科学技术问题。
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二、纳米材料的制备技术
1、气相法
• 在低压气体中蒸发法：在超高真空中充入低压 惰性气体，将欲蒸物质（金属、CaF2、NaCl、 FeF等离子化合物、过渡金属氮化物、易升华氧 化物等）置于坩埚内，通过钨电阻或石墨加热 器加热蒸发，蒸气在惰性气体带动下在液氮冷 却棒（77K）上冷凝，再用聚四氟乙烯刮刀刮下 得到纳米粉。
由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使 材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光， 机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗 粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。
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一、纳米材料的特性
纳米相铜强度比普通铜高诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金 属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等 新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未 能解决的问题开拓了新的途径。
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二、纳米材料的制备技术
• 流动液面上的真空蒸镀法：在高真空中蒸发的金 属原子在流动的油面内形成极超微粒子。产品为 含有大量超微粒子的糊状油。 • 通电加热蒸发法：通过金属与碳棒接触，通电加 热使金属熔融并蒸发形成金属碳化物超微粒子。
• 激光诱导化学气相沉积法：利用反应气体分子对 特定波长激光束的吸收，引起气体分子激光光解、 激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应， 在一定工艺条件下获得超微粒子。
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一、纳米材料的特性
2、纳米材料的体积效应
由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很 少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用 通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明， 这种特殊的现象通常称之为体积效应。
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一、纳米材料的特性
3、纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒 子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级， 使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺 寸效应。
随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大， 电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽， 金属导体将变为绝缘体。
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一、纳米材料的特性
由于处于分立的量子化能级中电子的波动性使纳米 粒子具有一系列特殊性质，导致声、光、电、磁、热力 学等特性出现异常。
如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔 点降低，增强微波吸收，特异的催化和光催化性质等。
• 创造和制备优异性能的纳米材料 • 设计、制备各种纳米器件和装置 • 探测和分析纳米区域的性质和现象
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纳米科技主要包括
1、纳米物理学 2、纳米化学 3、纳米材料学 4、纳米生物学 5、纳米电子学 6、纳米加工学 7、纳米力学
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纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代未、 90年代初。80年代初发明了Feynman所期望的纳米 科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、 原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们 对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。
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用扫描隧道 显微镜的针尖 将原子一个个 地排成汉字， 汉字的大小只 有几个纳米。
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用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵 48个原子，使它们排成圆形，圆形上原子的某些电子 向外传播，逐渐减少，同时与向内传播的电子相互干 涉形成干涉波。
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用扫描隧道显微镜拍摄的富勒烯照片，可 以见到C60的单个分子
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当 物 质 小 到 1—100nm(10-9—10-7m) 时 ， 由 于 其 量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效 应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既 不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异 现象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子 及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化 学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
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一、纳米材料的特性
1、纳米材料的表面效应
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数 与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的 性质上的变化。如下图所示：
粒径在10nm以下，将迅速增加表面原 子的比例。当粒径降到1nm时，表面原 子数比例达到约90%以上，原子几乎全 部集中到纳米粒子的表面。此时由于 表面原子配位数不足和高的表面能， 使这些原子易与其它原子相结合而稳 定下来，故具有很高的化学活性。
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1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学 技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的 一个新分支。
纳米材料介于宏观物质和微观原子、分子的 中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例， 而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互 不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种 新的结构状态。
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纳米科技的主要研究内容
• 沉淀法： •金属醇盐水解法： •共沉淀法 •单相共沉淀 •混合共沉淀 •均相沉淀法：利用尿素在70℃以上水解成 氨和CO2
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• 喷雾法： •喷雾干燥法 •雾化水解法 •雾化焙烧法
• 水热法（高温水解法）： •水热氧化 •水热沉淀 •水热合成 •水热还原 •水热分解 •水热结晶