纳米及纳米催化技术ppt课件
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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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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
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。
• 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
21
• 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
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
7
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。
4
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。
5
纳米科技的主要研究内容
3
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。
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5倍；纳米相陶瓷是 摔不碎的。纳米材料从根本上改变了材料的结构， 可望得到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。
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。
12
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。
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。
11
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。
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。
10
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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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
ห้องสมุดไป่ตู้
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。
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
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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。
• 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
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
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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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。
5
纳米科技的主要研究内容
3
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。
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5倍；纳米相陶瓷是 摔不碎的。纳米材料从根本上改变了材料的结构， 可望得到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
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。
12
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。
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。
11
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。
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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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