纳米材料

纳米材料与纳米结构复习题

1.简单论述纳米材料的定义与分类。

答：广义上讲：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。

按维数，纳米材料可分为三类：

零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒，原子团簇等。

一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等。

二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。

因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元又分别具有量子点，量子线和量子阱之称

2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类。

答：原子团簇: 指几个至几百个原子的聚集体（粒径一般等于或小于1nm）

例如: C n H m（n与m都是整数）；碳簇（C60、C70和富勒烯等）

原子团簇的分类：

a 一元原子团簇：即同一种原子形成的团簇，如金属团簇，非金属团簇，碳簇等。

b二元原子团簇：即有两种原子构成的团簇，例如Zn n P m, Ag n S m等。

c 多元原子团簇：有多种原子构成的团簇，例如V n(C6H6)m等

d原子簇化合物：原子团簇与其它分子以配位键形成的化合物。例如(Ag)n(NH3)m等。3.通过Raman 光谱中如何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 答：利用微束拉曼光谱仪能有效观察到单壁纳米管特有谱线，这是鉴定单壁纳米管非常灵敏的方法。100-400cm-1范围内出现单壁纳米管特征峰，单壁纳米管特有的呼吸振动模式；1609cm-1是定向多壁纳米管的拉曼特征峰。

单臂管的直径d与特征拉曼峰波数成反比，即：d=224/w。式中的d单壁管的直径，nm；w为特征拉曼峰的波数cm-1

4.论述碳纳米管的生长机理。

答：采用化学气相沉积（CVD)在衬底上控制生长多壁碳纳米管。原理：首先，过镀金属(Fe,Co,Ni)催化剂颗粒吸收和分解碳化合物，碳与金属形成碳-金属体；随后，碳原子从过饱和的催化剂颗粒中析出；最后，为了便于碳纳米管的合成，金属纳米催化剂通常由具有较大的表面积的材料承载。

各种生长模型

1、五元环－七元环缺陷沉积生长

2、层－层相互作用生长

3、层流生长

4、顶端生长

5、根部生长

6、喷塑模式生长

7、范守善院士：13C同位素标记，多壁碳纳米管的所有层数同时从催化剂中生长出来的，证明了“帽”式生长(yarmulke)的合理性

生长机理

表面扩散生长机理：不是生长一内单壁管，然后生长外单壁管；而是在从固熔体相处时，开始就形成多层管

顶端生长和根部生长：生长机理是V-L-S生长机理，关键特征：体相扩散。如果催化剂保留在纳米管顶端，为顶端生长；如果催化剂保留在底部，为根部生长。

VLS(气-液-固)顶端生长模型示意图

5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。

答：气相法生长纳米线一般按照气-液-固（V-L-S）和气-固（V-S)生长机理

气-液-固（V-L-S）生长机理：首先在衬底表面沉积一层具有催化作用的薄膜（通常为Au），在一定温度下，Au与衬底形成合金液滴或单独形成液滴。此时通过载气或热蒸发，将反应物原子带到合金液滴处，凝聚成核。当这些原子在液滴中达到饱和后，会在液滴表面结晶，析出并生长成纳米线，最终合金留在纳米线的一端。由于形成的合金液滴尺寸很小，并且纳米线只能在催化剂液滴上进行顶端或根部生长，因此能够生长出纳米线。

气-固（Vapor-solid,V-S)生长法原理：

凹坑或蚀丘为纳米丝提供了成核位置, 并且它的尺寸限定纳米丝的临界成核直径，因此在制备MgO纳米丝时，Mg蒸汽在氩气的传送下，能够在生长区生长成纳米丝。

溶液法生长纳米线一般按照溶液-液相-固相（S-L-S）和选择性吸附生长机理

溶液-液相-固相（S-L-S）生长机理与V-L-S生长机理相同，只是按V-L-S机制生长，原料由气相提供；而S-L-S机制的原料是由溶液提供的。

选择性吸附生长机理：不同的吸附剂会选择性的通过吸附键的形式（不是物理吸附）吸附在特定晶面上，从而抑制该方向的生长，从而得到超长的纳米线。在ZnO纳米线的制备中，C2O22-选择性吸附在ZnO的侧面，从而抑制了侧面的生长，从而使ZnO沿C 轴方向生长出超长纳米线。

6.解释纳米颗粒红外吸收带的宽化和蓝移的原因。

答：红外吸收带宽化的原因：

纳米氮化硅、SiC、及Al2O3粉，对红外有一个宽频带强吸收谱。由于纳米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个单一的，择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光场作用下，它们对红外吸收的频率也就存在一个较宽的分布。这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。蓝移原因：

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。主要由于表面效应引起：由于纳米微粒尺寸小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近邻和第二近邻的距离变短。键长的缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，结果使红外光吸收带移向了高波数，即蓝移（化学键的振动）。

7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。

答：光催化的基本原理：当半导体纳米粒子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，产生电子空穴时，电子具有还原性，空穴具有氧化性。空穴与半导体纳米粒子表面OH―反应生成氧化性很高的·OH自由基，这种活泼的·OH自由基可把许多难降解的有机物氧化为CO2和H2O等无机物。

半导体的光催化活性主要取决于：导带与价带的氧化―还原电位。价带的氧化―还原电位越正，导带的氧化―还原电位越负，则光生电子和空穴的还原及氧化能力越强，光催化的效率就越高。

提高光催化活性的途径：1.减小半导体光催化剂的颗粒尺寸，可以提高其催化效率。纳米半导体的尺寸越小，处于表面的原子越多，比表面积越大，大大增强了半导体催化吸