纳米材料 201237

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1、,Related Documents,,Click to edit Master text,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,,,,*,,,LOGO,YOUR SITE HERE,纳米材料,作者：彭霓玲,纳米材料,,1.,纳米材料的定义,,2.,纳米材料的分类,,4.,纳米材料的应用,,5.,纳米材料的发展前景,,3.,纳米材料的特性,纳米材料的定义,,近年来纳米科技的发展，人们知道，材料的性质并不是直接决定,,于原子和分子，在物质的宏观固体和微观原子分子之间还存在着,,一些介观的层次，这些层次对材料的物性起着决定性的

2、作用。,广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度,,范围或由它们作为基本单元构成的材料如果按维数，纳米材料,,的基本单元可以分为三类,:,,（,1,）在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等,,（,2,）在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等,,（,3,）在三维空间中有一维在纳米尺度，如纳米薄膜、纳米涂层等,,,10 nm,30nm,50 nm,纳米材料分类,零维,:,纳米颗粒、原子团簇,一维,：纳米丝、纳米棒、纳米带,,纳米管以及纳米纤维,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,纳米棒,-,蒲公英,铋多层纳米带,左：纳米纤维

3、 右：碳纳米管,二维,:,纳米片、纳米薄膜,三维：,Nano-flowers,,中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系,Ag/SiOx,微米级的内核,/,壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。,研究内容以,Report,形式于,2005,年,8,月,5,日发表在,Science,上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。,Nanotechweb,和,ORF ON Science,网站当天就分别以,“,应变的微结构形成类植物花样,”,和,“,微观世界的花朵,”,作了长篇介绍。,Nanobelt /nano

4、ribbon,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,ZnO,,Materials Letters 59 (2005) 1696–1700,纳米材料的分类,1.,原子团簇,:,介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于,1nm,，约含几个到几百个原子。具有,极大的表面,/,体积比，异常高的化学活性和催化活性，结构的多样性和排列的非周期性等特点。,,2.,纳米颗粒,:,尺寸为纳米量级的超微颗粒，,比表面积远大于,块体材料，导致其电子状态发生突变，产生各种纳米效应纳米管,:,一九九一年，日本电气公司,(NEC),首席研究员饭岛澄男利用碳电弧放电法合成,C60

5、,分子时，偶然于阴极处发现针状物，经过高分辨率穿透式电子显微镜分析其结构，发现这些针状物为碳原子所构成的直径约为数纳米至数十纳米，长度可达数微米的中空管状物，其比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的,100,倍。,,它具有类似钻石的杨氏模量，以及特殊的电子传输特性，被认为是最佳的纳米组件材料之一。此外，由于其尖端直径可达到,1nm,，因此也是最佳的纳米探针材料。,,3.,纳米薄膜与纳米涂层,:,主要是指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜。,一般都具有准三维结构与特征，性能异常。,,4.,纳米固体材料,:,是以纳米结构单元为基础形成的三维大尺寸纳米固体

6、材料，又叫纳米结构材料。具有尺寸小于,100 nm,的原子区域，显著的界面原子数，组成区域间相互作用。,,,,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。,,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。由于纳米粒子表面原子数增多，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。例如，金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应

7、等,.,,,,纳米材料的四大特性,,2,、小尺寸效应,,,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。,,对纳米颗粒而言尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，产生一系列新奇的性质。例如金属纳米颗粒对光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；小尺寸的纳米颗粒磁性与大块材料有明显的区别，由磁有序态向磁无序态，超导相向正常相转变。与大尺寸固态物质相比纳米颗粒的熔点会显著下降，例如,2nm,的金颗粒熔点为,600K,，随着粒径增加熔点迅速上升，块状金

8、为,1337K,。,,。,,纳米材料的四大特性,,3,、量子尺寸效应,,,大块材料的能带可以看成是连续的，而介于原子和大块材料间的纳米材料的能带将分裂为分立的能级。,,能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。如,CdS,微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异的光电催化活性 。,纳米材料的四大特性,,4,）,宏观量子

9、隧道效应,,电子能量低于势垒高度时，由于其具有波动性而具有穿过势垒的几率，这就是隧道效应。最近人们研究发现微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等宏观物理量也具有隧道效应，称为宏观隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。,纳米材料的四大特性,,纳米材料是二十一世纪的主导材料,自清洁效应,环境能源,新型材料,—,节能减排,处理大气污染,污水处理,抗紫外,电磁辐射防护,治理白色污染,纳米技术,在环境中不可或缺,半导体光催化氧化,用途：,,水和空气的净化，癌细胞失活，臭味控制，氮固化，清除油污等等。,,半导体具有特殊的电子结构，这种可

10、由一个满价带和一纳米由于其表面具有超亲水性和超亲油性,,,因此其表面具有自清洁效应。在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上薄膜,,,可防止镜面结雾。实验表明,,,镀有纳米薄膜的表面显示出高度的自清洁效应,,,污染不易在表面附着,,,附着的少量污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下,,,也会自动从表面剥离下来。这一技术将广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等。个空导带来表征，因此容易引发光诱导反应。,纳米材料用于,污水处理,一 半导体纳米光催化剂及其改性技术的应用,,二 纳米材料与通用的污水处理剂的复合改性,,三 纳米超高效水处理剂,,四 作用：,,1,降解水中的有机磷,,2,处理纺染废水，使有机物矿

11、化,,3,降解油污，解决海洋石油污染,,4,杀死水中的有害细菌,,5,重金属的再还原沉淀,纳米材料用于光吸收,-,抗紫外,,纳米二氧化钛，纳米氧化锌，纳米二氧化硅，纳米三氧化二铁，纳米氧化铝等等，都具有吸收紫外光的特征。,,纳米微粒的量子尺寸效应使得它对某种波长的光吸收带有蓝移现象；纳米微粒对各波长光的吸收有宽化现象。,,比表面大，表面能高，界面缺陷多等。,,波长,<350nm,，,UVB,，纳米,TiO,2,和纳米,ZnO,的屏蔽率基本接近；波长,350-400nm,，,UVA,，纳米,ZnO,的屏蔽率则明显更强。,,吸收紫外线的效果和纳米粒子的颗粒度也有一定关系。对纳米二氧化钛，,120-

12、300nm,最佳，对纳米氧化锌，,20-50nm,最佳。,,纳米,ZnO,具有非常优越的抗紫外性能，在浓度极低下,(0.2‰),即可将紫外线透过率控制在,5﹪,以下；经将纳米,ZnO,涂敷到雨伞布料后，其抗紫外性能可得到明显的提高。,纳米材料用于,电磁辐射防护,,纳米抗辐射物质掺入纤维中，制成可阻隔,95%,以上电磁辐射的服装，而且不挥发，不溶于水，持久保持防辐射能力。,,比表面大，表面能高，界面极化和多重散射。量子尺寸使纳米材料的电子能级发生分裂，分裂的能级间隔有些正处于电磁波的量级范围，形成新的吸收途径。,,抗静电。,纳米材料在大气污染方面的应用,,,,复合稀土纳米材料是具有很强的氧化还原

13、能力，能很好地催化分解汽车尾气的一氧化碳，二氧化硫以及氮氧化合物。,,纳米,ZrCe,复合粉体，由于表面存在,+4,+3,价的金属离子，电子可以在三价和四价的离子间传递，因此有很强的得失电子，氧化还原能力。,,比表面大，表面缺陷多，表面不饱和键多，吸附能力强。纳米,TiO,2,光催化剂能有效地分解室内外的有机污染物,,,对室内的主要有害气体物甲醛、甲苯、乙醛、氨等的研究结果表明,,,污染物浓度较低时,,,纳米,TiO2,表面没有中间产物生成,,,因此,,,可有效地降解这些有机物,,,使室内空气得到净化。,,纳米材料还有如下用途：用作石油脱硫催化剂 、用作纳米燃油添加剂 、用作汽车尾气净化催化

14、剂 、用作纳米燃油添加剂 、用作煤炭用助燃催化剂。,,,纳米材料在白色污染方面的应用,,通过纳米技术将可降解的淀粉和不可降解的塑料复合改性成纳米粉体，可生产出,100%,降解的农用地膜，一次性餐具，包装袋等等。,70-90,天，淀粉完全降解为水和二氧化碳，塑料则变成对土壤和空气无害的细小颗粒，并在,17,个月内可完全降解为水和二氧化碳。,,生活垃圾的降解。处理城市垃圾纳米可以加速城市生活垃圾的降解,,,其降解速度是大颗粒唤的倍以上,,,从而可解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力,,,避免了因焚烧处理而带来的二次环境污染问题。,纳米氧化锌在瓷砖生产中,节能,减排的应用,,1,、纳米粉体材料与微米

15、级的材料相比，其晶体生长动力学指数和激活能都比较小，因此在相同的烧结时间或者温度下，能获得相对较大的晶粒尺寸；,,2,、纳米粉体尺寸小，表面积和表面原子所占比例都很大，具有高的能量状态，压制成材后的晶界能量高，在烧结过程中晶界扩散效应强，因此在较低的温度下烧结就能达到致密化，均匀化的目的，改善陶瓷材料的性能，提高其使用的可靠性。还可以从纳米材料的结构层次上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能。,,3,、纳米材料具有较高的导热性能，利用纳米氧化锌可显著降低陶瓷材料的烧结温度，节约能源，,,4,、由于陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能，如果粉料的颗粒堆积均匀，烧

16、成收缩一致且晶粒均匀长大，那么颗粒越小，产生的缺陷越小，所制备的材料的强度就相应越强。,,纳米抗菌塑料,,,塑料表面的纳米,ZnO,在灯光的照射下，发挥光催化氧化作用，被紫外光激发后产生的超氧离子,·O,2-,和羟基自由基,·OH,能穿透细菌的细胞壁，破坏细胞膜质，进入菌体，阻止成膜物质的传输，阻断其呼吸系统和电子传输系统，从而有效的杀灭抗菌。纳米,ZnO,的加入量大于,1.0%,时,,,抗菌率均保持在,90%,以上。,纳米氧化锌在橡胶的应用,,⑴,在胶料配方中可用纳米氧化锌代替普通氧化锌，制胶工艺条件不变，其用量可减少到使用普通氧化锌用量的,60%,。,,⑵使用纳米氧化锌的胶料，能改善胶料的

17、加工安全性，提高硫化胶的力学性能、热空气老化性能及紫外老化性能，从而对进一步提高产品内在质量，延长产品使用寿命起到促进作用。,纳米材料在能源方面的应用,,纳米助燃剂,,,纳米节能材料,,,新型纳米光催化剂分解水,,,纳米材料在储能中的应用,,,纳米氧化锌在橡胶的应用,,⑴,在胶料配方中可用纳米氧化锌代替普通氧化锌，制胶工艺条件不变，其用量可减少到使用普通氧化锌用量的,60%,。,,⑵使用纳米氧化锌的胶料，能改善胶料的加工安全性，提高硫化胶的力学性能、热空气老化性能及紫外老化性能，从而对进一步提高产品内在质量，延长产品使用寿命起到促进作用。,,⑶,大多数光稳定剂都是多功效的，包括纳米氧化锌。实验

18、发现经过一个月的自然填埋实验，添加纳米氧化锌,3,份的硫化较物理性能有所降低，通过红外光谱测试技术对胶内部分子结构的变化分析，初步认为纳米氧化锌的添加有促进材料降解的作用，为人们研究降解性橡胶，降低环境污染提供研究方向。,,（,4,）当热解处理纳米氧化锌减量后的废胶时，与传统废胶比较，其燃尽失重率大，传热佳，能够更好地实现减量化，具有很好的发展前景。,,纳米氧化锌在EVA发泡塑料中的应用,,氧化锌是重要的半导体氧化物，具有很多优异性能。在,EVA,的配方设计中，氧化锌可中和体系中的酸性，也能降低,AC,发泡剂的分解温度，增大发气量，防止积垢形成。纳米氧化锌的用量在,EVA,发泡塑料中可以减少,

19、40%,左右。而且，减量后的塑料具有以下特点：①具有更好的耐老化性能；②更易紫外降解和填埋处理；③热稳定性更好；④焚烧后减量化更好；⑤锌的排放量更少，具有更好的环境效益。,用纳米,TiO,2,－,Ag,光催化剂对,VACF,进行改性，将纳米,TiO,2,或纳米,TiO,2,-Ag,催化剂固载到,VACF,上对其进行改性处理，利用,SEM,、,EDS,、,BET,等方法对改性,VACF,进行了表面物化特性表征及分析；,,,,催化活性高，稳定，物美价廉,提高催化剂活性,,高比表面积，孔径均匀，,,活性基团丰富,纳米,TiO2-Ag,改性,VACF,处理氨气,,新材料和制备,1.ONE,,微电子和计算机技术,2.TWO,,环境和能源,3.,three,,医学与健康,4.,four,,生物技术,5.,five,,航空材料,6.,six,,国家安全,7.,seven,,工程材料,8.,eight,