纳米材料与纳米催化

纳米材料与纳米催化

1.什么是纳米材料? 基本构成单元内容? 判断的标准什么?

答：纳米材料(nanometer material)是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围。

纳米材料的基本结构单元分为四类：

零维：三维均为纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等。

一维：空间两维在纳米尺度，如纳米管、纳米棒等。

二维：空间一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等。

三维：宏观固体，但由纳米基本单元构成，如纳米固体等。

纳米材料的判断标准：

微粒尺寸和晶粒尺寸是否小于100nm；

是否具有不同于常规材料(bulk)的性能。

2.纳米微粒的基本理论的内容是什么（7条）? 并简要说明量子尺寸

效应、小尺寸效应、表面效应？

答：纳米微粒的基本理论的内容包括久保理论（电子能级的不连续性）、量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道

效应、库仑堵塞与量子隧穿效应、介电限域效应。

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和纳米半导体微粒能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

小尺寸效应：

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，晶体周期性的边界条件将被破坏；同时超细微粒的颗粒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小尺寸效应。

表面效应：

表面效应又称界面效应，是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着纳米微粒的粒径逐渐减小达到纳米尺寸，除了造成表面积迅速增加之外，表面能量也会大幅递增。

3.简要说明纳米微粒的化学特征有哪些？防止团聚的方法。

答：纳米微粒的化学特征有吸附、分散和团聚。

吸附是相接触的不同相之间产生的结合现象。吸附可以分成两类，一是物理吸附，吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力之类较弱的物理力结合；二是化学吸附，吸附剂与吸附相之间是以

化学键结合。纳米微粒由于有大的比表面积和表面原子配位不足，与相同材质的大块材料比较，有较强的吸附性。

纳米微粒表面的活性使它们很容易团聚在一起从而形成带有若干弱连接界面的尺寸较大的团聚体

防止团聚的方法：

加入反絮凝剂(Anti-flocculating agent)形成双电层

加表（界）面活性剂(surfactant)包裹微粒

4.简要说明气相法制备纳米微粒的方法？

答：气相法主要有物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)法两大类。

物理气相沉积法是利用电弧、高频电场或等离子体等高温热源将原料加热使之气化，然后降温冷却，将蒸汽凝聚成纳米微粒。

化学气相沉积法是以金属蒸气、挥发性金属卤化物或氢化物、有机金属化合物等蒸气为原料，发生化学反应，然后经过凝聚得到纳米微粒。是一种常用的制备纳米微粒的方法。

5.简要说明液相法制备纳米微粒的方法？

答：液相法是指在溶液中制备纳米微粒，是目前实验室和工业上经常采用的制备纳米粉体材料的方法。

液相法主要的方法有沉淀法、水热法、溶胶－凝胶法等。另外，

模板法、自组装法通常也在水溶液中进行反应，也可以归纳到液相法中。

6.简要说明纳米微粒的表面修饰方法？

答：纳米微粒的表面修饰分为物理修饰和化学修饰。

纳米微粒表面物理修饰分为两类。一类通过范德瓦尔斯力等将异质材料吸附在纳米微粒的表面，可以防止纳米微粒的团聚。通常采用表面活性剂对无机纳米微粒表面的修饰就属于这类方法。另一类表面物理修饰法，即表面沉积法，它是将一种物质沉积到纳米微粒表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包敷层。

纳米微粒表面化学修饰指通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态，达到表面改性的目的。纳米微粒表面化学修饰有偶联剂法、酯化法、表面接枝改性法三种。

7.纳米微粒尺寸的评估方法有哪些？简要说明比表面积法？

答：纳米微粒尺寸的评估方法有透射电镜观察法，X射线衍射线线宽法，比表面积法，X射线小角散射法，拉曼散射法，激光衍射法，激光散射法，沉降(sedimentation)法。

比表面积法：

通过测定粉体单位重量的比表面积S w，可由下式计算纳米

粉中粒子的直径(设颗粒呈球形)：d=6/ρS w

式中，ρ为密度，d 为颗粒直径；S w 为比表面积，它的一般测量方法为BET 多层气体吸附法。BET 方程为式中，V 为被吸附气体的体积；V m 为单分子层吸附气体的体积；p 为气体压力；p 0为饱和蒸汽压；k 为y/x.

令

将上式两式相加，取倒数得到V m ，即 将A ，B 代入式6-5，可得到 把V m 换算成吸附质的分子数（V m /V 0∙N A ）乘以一个吸附质分子的截面积A m ，即可用下式计算出吸附剂的表面积S ：

8. 简要说明纳米薄膜的制备方法有哪些？

答：纳米薄膜的制备方法分为液相法和气相法。液相法包括溶胶-

凝胶法和电沉积法两种方法；气相法包括高速超微粒子沉积法(气体沉积法)和直接沉积法两种方法。

9. 纳米尺度催化材料有哪些？举例说明。 答：纳米尺度催化材料一般是指纳米超细金属催化剂，如贵金属类()()]/11[00p p k p p p k V V m -+-∙=0011)(p p k V k k V P P V p m m -+=-k V k A m 1-=k

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