(完整版)电化学法制备纳米材料及表征技术
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Baidu Nhomakorabea
3.宏观量子隧道效应
• 微观粒子贯穿能垒的能力称为隧道效应。
• 纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、 电学（超导）、化学（电化学）、催化性 能、耐蚀性能以及耐磨、减震、巨弹性模 量效应等特殊的机械性能。引起了凝聚态 物理界、化学界、材料界科学工作者的极 大关注，展现出诱人的应用前景。
4.量子效应
流的作用下在阴极还原并沉积为金属的过程。
制备关键：有效的控制晶粒的成核和生长 （2）分类： 根据沉积过程：单槽和多槽电沉积 根据沉积方式：直流、交流、脉冲、欠电位沉积、
复合共沉积及喷射共
脉冲电沉积：通过控制波形、频率、通断比和平 均电流密度等参数，使得电沉积过程在很宽的 范围内变化，从而获得具有一定特性的纳米晶 体镀层。
• （3）组成：由于纳米粒子的粒径很小使得粒 子中的原子有很大部分处于粒子表面，表现在 固体纳米材料中，有相当大比列的原子处于晶 体界面上，即界面组元的比列很高，一般纳米 晶粒内部的有序原子与纳米晶粒的界面无序原 子各占总原子数的50%。
四.纳米材料的作用
• 晶界对纳米材料的结构及物性具有重要的 作用，由于这些大量的处于晶界或晶粒缺 陷中心的原子，使纳米粒子产生小尺寸效 应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面 和截面效应等，引起了纳米材料在许多物 理、化学、力学性能上与同组成的微米粒 子材料有非常显著的差异，它不仅开拓了 人们认识世界的视野，也改变了某些传统 观念。
喷射电沉积：一种局部高速电沉积技术，具有较 高的热量和物质传输率，改善了电解质的传质 过程，提高了电流密度，从而提高了电沉积速 率
复合电沉积：利用电化学原理，使不溶性固体颗 粒与欲沉积金属的粒子在阴极表面实现共沉积， 以获得具有某些特殊性能的复合沉积层的工艺 过程。
欠电位沉积：金属在比其热力学电位更正处发生 沉积的现象，沉积的金属相当与一个双功能催 化剂，提供某些活性点参与反应；为电极上发 生的氧化反应提供一个电荷转移媒介。
电化学法制备纳米材料及原 位表征技术
晋冠平 2012.10
第一节 纳米材料简介 第二节.电化学法制备纳米材料 第三节 纳米材料的表征 第四节 应用实例
第一节 纳米材料简介
是一个古老而又崭新的研究领域
一. 引言 二. 基本概念 三.纳米材料组成 四.纳米材料的作用
一.引言
1.历史简介 生活中的纳米:古铜镜表面的防锈(纳米氧化锡), 灯灰(纳米碳黑) 20世纪60年代 1963: Uyeda---气体冷凝法—金属超微粒子 20世纪70年代：Nano-scale Science and Technology(NST) 1989: Gleiter-----纳米材料 (德国) 1990:NST-----纳米科技诞生 (美巴尔的摩)
• 当粒子的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近 的电子能级由连续变为离散，对于纳米半导体材 料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未 被占据的分子轨道的能级核能隙变宽，此现象称 为量子尺寸效应。
• 五.合成
• 气相合成
• 化学合成
• 物理/气溶胶方法
• 近十几年来对电化学制备纳米晶体的研 究，发现电化学制备纳米晶体具有其他 普通晶体所不具有的优异性能，例如耐 磨性、延展性、硬度、电阻、电化学性 能及耐腐蚀性等。并且电化学制备纳米 晶体也相对比较容易，因而其在科学技 术上的发展前景是非常广阔的。
1.小尺寸效应（体积效应）
当超细微粒的尺寸与广播的波长、传导电子的德 布罗意波长或超导的相干长度或透射深度等物 理特征尺寸相当或更小时，其周期性的边界条 件将破坏，那么这种材料在光、电、磁、热和 力学等方面均会表现出与大颗粒不同的特性。
2.表面与界面效应
纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子 尺寸的减少而大幅地增加。纳米粒子的表面原 子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不 同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而 极易与其它原子结合，具有很高的电化学活性。
• 1939：用两个含不同成分的电解池，交 替在两池间进行电沉积制备纳米叠层膜
• 1969：电沉积制备块状超精细结构（直 流电法 ）
• 1990-1995：脉冲法电沉积制备纳米晶体
二. 电化学制备纳米材料的原理及独特性能 1.原理：金属的电沉积过程，属于阴极还原反应过
程
（1）定义：就是在金属电解过程中，金属离子在电
匀、含杂质量低、成分稳定、工艺简单。
三. 电化学法制备纳米晶体的影响因素
（2）纳米晶体：由纳米粒子形成的晶体。它是一 种具有全新“气体状”须固体结构的新型材料， 粒子内部存在有序-无序结构。从传统热力学观 点来看，是一种亚稳态结构。
三.纳米材料组成：
• （1）晶体组元：晶粒中的原子组成，这些原 子都严格位于晶格位置上
• （2）界面组元：晶粒之间的界面原子组成， 这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
第二节.电化学法制备纳米材料
• 一. 电化学制备纳米材料的研究历史
• 二. 电化学制备纳米材料的原理及独特性能 • 三. 电化学法制备纳米晶体的影响因素 • 四.纳米材料的表征 • 五.电化学制备纳米材料的实例 • 六.电化学制备纳米材料的应用
一.电化学法制备纳米材料的研究历史
纳米薄膜、纳米微晶、纳米金属线、金属 氧化物等
2. 电化学制备纳米材料的独特性能
1）可获得晶粒尺寸在1-100 nm的材料 2）很高的密度和极少的空隙 3）受形状和尺寸限制少，比量大，产率高成本
低。 4）工艺简单灵活易于控制。 以纳米镍为例： • 硬度大、磁饱和强度高、电阻小、扩散系数大、
抗局部腐蚀性能好 • 而脉冲电沉积： • 产品性能好、沉积速度大、附着力强、镀层均
1992: TMS-----Minerals Metals Materials 21世纪高新科技最有前途的材料 它的出现将和金属、半导体、荧光材料的出现一样，引起科技 领域的重大变革。
二. 基本概念
• (1)纳米粒子：特征维度尺寸1-100 nm范围内的微 小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物 体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它 的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、 分子之间，属于亚微观的范畴。
3.宏观量子隧道效应
• 微观粒子贯穿能垒的能力称为隧道效应。
• 纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、 电学（超导）、化学（电化学）、催化性 能、耐蚀性能以及耐磨、减震、巨弹性模 量效应等特殊的机械性能。引起了凝聚态 物理界、化学界、材料界科学工作者的极 大关注，展现出诱人的应用前景。
4.量子效应
流的作用下在阴极还原并沉积为金属的过程。
制备关键：有效的控制晶粒的成核和生长 （2）分类： 根据沉积过程：单槽和多槽电沉积 根据沉积方式：直流、交流、脉冲、欠电位沉积、
复合共沉积及喷射共
脉冲电沉积：通过控制波形、频率、通断比和平 均电流密度等参数，使得电沉积过程在很宽的 范围内变化，从而获得具有一定特性的纳米晶 体镀层。
• （3）组成：由于纳米粒子的粒径很小使得粒 子中的原子有很大部分处于粒子表面，表现在 固体纳米材料中，有相当大比列的原子处于晶 体界面上，即界面组元的比列很高，一般纳米 晶粒内部的有序原子与纳米晶粒的界面无序原 子各占总原子数的50%。
四.纳米材料的作用
• 晶界对纳米材料的结构及物性具有重要的 作用，由于这些大量的处于晶界或晶粒缺 陷中心的原子，使纳米粒子产生小尺寸效 应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面 和截面效应等，引起了纳米材料在许多物 理、化学、力学性能上与同组成的微米粒 子材料有非常显著的差异，它不仅开拓了 人们认识世界的视野，也改变了某些传统 观念。
喷射电沉积：一种局部高速电沉积技术，具有较 高的热量和物质传输率，改善了电解质的传质 过程，提高了电流密度，从而提高了电沉积速 率
复合电沉积：利用电化学原理，使不溶性固体颗 粒与欲沉积金属的粒子在阴极表面实现共沉积， 以获得具有某些特殊性能的复合沉积层的工艺 过程。
欠电位沉积：金属在比其热力学电位更正处发生 沉积的现象，沉积的金属相当与一个双功能催 化剂，提供某些活性点参与反应；为电极上发 生的氧化反应提供一个电荷转移媒介。
电化学法制备纳米材料及原 位表征技术
晋冠平 2012.10
第一节 纳米材料简介 第二节.电化学法制备纳米材料 第三节 纳米材料的表征 第四节 应用实例
第一节 纳米材料简介
是一个古老而又崭新的研究领域
一. 引言 二. 基本概念 三.纳米材料组成 四.纳米材料的作用
一.引言
1.历史简介 生活中的纳米:古铜镜表面的防锈(纳米氧化锡), 灯灰(纳米碳黑) 20世纪60年代 1963: Uyeda---气体冷凝法—金属超微粒子 20世纪70年代：Nano-scale Science and Technology(NST) 1989: Gleiter-----纳米材料 (德国) 1990:NST-----纳米科技诞生 (美巴尔的摩)
• 当粒子的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近 的电子能级由连续变为离散，对于纳米半导体材 料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未 被占据的分子轨道的能级核能隙变宽，此现象称 为量子尺寸效应。
• 五.合成
• 气相合成
• 化学合成
• 物理/气溶胶方法
• 近十几年来对电化学制备纳米晶体的研 究，发现电化学制备纳米晶体具有其他 普通晶体所不具有的优异性能，例如耐 磨性、延展性、硬度、电阻、电化学性 能及耐腐蚀性等。并且电化学制备纳米 晶体也相对比较容易，因而其在科学技 术上的发展前景是非常广阔的。
1.小尺寸效应（体积效应）
当超细微粒的尺寸与广播的波长、传导电子的德 布罗意波长或超导的相干长度或透射深度等物 理特征尺寸相当或更小时，其周期性的边界条 件将破坏，那么这种材料在光、电、磁、热和 力学等方面均会表现出与大颗粒不同的特性。
2.表面与界面效应
纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子 尺寸的减少而大幅地增加。纳米粒子的表面原 子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不 同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而 极易与其它原子结合，具有很高的电化学活性。
• 1939：用两个含不同成分的电解池，交 替在两池间进行电沉积制备纳米叠层膜
• 1969：电沉积制备块状超精细结构（直 流电法 ）
• 1990-1995：脉冲法电沉积制备纳米晶体
二. 电化学制备纳米材料的原理及独特性能 1.原理：金属的电沉积过程，属于阴极还原反应过
程
（1）定义：就是在金属电解过程中，金属离子在电
匀、含杂质量低、成分稳定、工艺简单。
三. 电化学法制备纳米晶体的影响因素
（2）纳米晶体：由纳米粒子形成的晶体。它是一 种具有全新“气体状”须固体结构的新型材料， 粒子内部存在有序-无序结构。从传统热力学观 点来看，是一种亚稳态结构。
三.纳米材料组成：
• （1）晶体组元：晶粒中的原子组成，这些原 子都严格位于晶格位置上
• （2）界面组元：晶粒之间的界面原子组成， 这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
第二节.电化学法制备纳米材料
• 一. 电化学制备纳米材料的研究历史
• 二. 电化学制备纳米材料的原理及独特性能 • 三. 电化学法制备纳米晶体的影响因素 • 四.纳米材料的表征 • 五.电化学制备纳米材料的实例 • 六.电化学制备纳米材料的应用
一.电化学法制备纳米材料的研究历史
纳米薄膜、纳米微晶、纳米金属线、金属 氧化物等
2. 电化学制备纳米材料的独特性能
1）可获得晶粒尺寸在1-100 nm的材料 2）很高的密度和极少的空隙 3）受形状和尺寸限制少，比量大，产率高成本
低。 4）工艺简单灵活易于控制。 以纳米镍为例： • 硬度大、磁饱和强度高、电阻小、扩散系数大、
抗局部腐蚀性能好 • 而脉冲电沉积： • 产品性能好、沉积速度大、附着力强、镀层均
1992: TMS-----Minerals Metals Materials 21世纪高新科技最有前途的材料 它的出现将和金属、半导体、荧光材料的出现一样，引起科技 领域的重大变革。
二. 基本概念
• (1)纳米粒子：特征维度尺寸1-100 nm范围内的微 小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物 体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它 的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、 分子之间，属于亚微观的范畴。