纳米催化剂

纳米催化剂

纳米催化剂进展

中国地质大学，材化学院，武汉430000

摘要：简要介绍了纳米催化剂的基本性质、其相对于其他催化剂的优势，并较详细地介绍了纳米催化剂类型、部分应用以及相对应类型催化剂例子的介绍，以及常见的制备方法及其表征手段，最后介绍了部分国内和国外纳米催化剂的应用，并对其发展方向进行一定的预测。

关键词：纳米催化剂应用制备催化活性进展

近年来, 纳米科学与技术的发展已广泛地渗透到催化研究领域, 其中最典型的

实例就是纳米催化剂(nanocatalysts—NCs)的出现及与其相关研究的蓬勃发展。NCs具有比表面积大、表面活性高等特点, 显示出许多传统催化剂无法比拟的优异特性；此外, NCs还表现出优良的电催化、磁催化等性能,已被广泛地应用于石油、化工、能源、涂料、生物以及环境保护等许多领域。本文主要就近年来NCs 的研究进展进行了综述。

1.纳米催化剂的性质

1.1表面效应

通常所用的参数是颗粒尺寸、比表面积、孔径尺寸及其分布等，有研究表明，当微粒粒径由10nm减小到1nm时, 表面原子数将从20%增加到90%。这不仅使得表面原子的配位数严重不足、出现不饱和键以及表面缺陷增加, 同时还会引起表面张力增大, 使表面原子稳定性降低, 极易结合其它原子来降低表面张力。此外,Perez等认为NCs的表面效应取决于其特殊的16种表面位置, 这些位置对外来吸附质的作用不同, 从而产生不同的吸附态, 显示出不同的催化活性。

1.2体积效应

体积效应是指当纳米颗粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或比其更小时, 晶态材

料周期性的边界条件被破坏, 非晶态纳米颗粒的表面附近原子密度减小, 使得其在光、电、声、力、热、磁、内压、化学活性和催化活性等方面都较普通颗粒相发生很大变化,如纳米级胶态金属的催化速率就比常规金属的催化速率提高了100倍。

1.3量子尺寸效应

当纳米颗粒尺寸下降到一定值时, 费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级, 此时处于分立能级中的电子的波动性可使纳米颗粒具有较突出的光学非线性、特异催化

活性等性质。量子尺寸效应可直接影响到纳米材料吸收光谱的边界蓝移, 同时有明显的禁带变宽现象；这些都使得电子/空穴对具有更高的氧化电位, 从而可以有效地增强纳米半导体催化剂的光催化效率。

2.常见催化剂

NCs大致可以分为负载型和非负载型两大类(如下表所示)。下面仅就其中几种常见NCs进行介绍。

纳米催化剂分类

2.1贵金属纳米催化剂

Au是贵金属中最具代表性的一种元素, 其外层d轨道具有半充满的电子结构, 一般不易化学吸附小分子, 且很难制得高分散的Au纳米颗粒。但是利用碳纳米管(CNTs)与负载的金属之间特殊的相互作用, Ma等成功地利用化学镀层技术将Au负载到CNTs上,制备了高分散的Au/CNTs NCs。

2.1.1类型

磁性贵金属纳米催化剂：由磁性载体核催化剂活性组分(活性组分通过化学键或者沉积作用与包覆材料相互作用负载在磁性载体上)组成。

如图：

类型有：

2.1.1.1 Pd磁性纳米催化剂

在催化加氢中应用最广泛。通过将Pd催化剂与磁性催化纳米载体耦合，使得Pd纳米催化剂即有原来的催化性能，且具备磁分离的性能。Tsang等成功地合成了以Fe-Ni合金为磁核、碳为包覆材料的磁性纳米载体，并且高效地将Pd负载到该磁性纳米载体上，得到了Pd磁性颗粒，后来经试验验证，其经过14次催化加氢反应后，Pd /HS-SiO2 /Fe2O3，Pd容易团聚，相反Pd /H2N-SiO2 /Fe2O3中的Pd还保持高度分散状态，其表明了该种磁性纳米颗粒具有更好的分散性。

2.1.1.2 Pt 磁性纳米催化剂

氧化还原反应中，Pt催化剂的使用最普遍。通过将纳米Pt催化剂与磁性纳米载体耦合，使其成为均相催化剂，实现反复利用。它可以在温和的条件下使得很宽范围的烯烃甚至包括带芳环的有机物加氢，并且全部转化为饱和的目标产物。在催化酮类转化为相应醇类的反应中，转化率高达99%。该磁性纳米催化剂用于催化苯加氢7次后和催化3-戊酮加氢14次后，其活性均没有任何变化。然而，在加氢后的产物中均发现有浓度小于10-8 的Pt，他们认为这是在合成催化剂时磁性载体表面残留引起的。

2.1.1.3 Rh磁性纳米催化剂

用于有机反应。它能够使有机反应条件趋向温和。将纳米Rh颗粒与磁性载体耦合，使得Rh纳米颗粒在磁场作用下实现与产物简易分离。但是该催化剂必须与经过氨基化的SiO2包覆的磁性纳米载体结合，不然负载量会偏高。

2.1.1.4Au磁性纳米催化剂

纳米Au的使用非常广泛，但是存在使用后回收困难的问题。将纳米Au与磁性载体耦合能够很好地解决回收再利用的问题，同时，不影响纳米Au 固有的催化性质。

2.2过渡金属纳米催化剂

过渡金属元素大多都含有未成对电子, 因而表现出一定的铁磁性或顺磁性, 且极易化学吸附小分子,如Fe、Co 、Ni就是制备CNTs阵列的高效NCs。Yabe等使用由纳米Fe 膜转化得到的纳米Fe颗粒,催化乙炔裂解制得CNTs阵列。Zhang等使用由纳米Ni膜经过原位预处理得到的纳米Ni颗粒,催化裂解乙二胺制得CNTs阵列。崔屾等使用经过预处理和还原的Ni 膜, 以低碳烷烃为碳源,可在不同反应条件下制得形态各异的CNTs薄膜。

2.2.1有机反应中的应用

研究表明, 纳米过渡金属催化剂较传统过渡金属催化剂可极大提高反应效率, 控制反应速度和选择性, 甚至是原来不能进行的反应也能完全进行, 在催化加氢、氧化、偶联等许多有机反应中都显示出优越性.

2.2.1.1加氢反应

使用的载体主要有树枝状的大分子(Dendrimer)、离子液体、聚合物、氧化物等

（1）树枝状大分子为载体，利用其可以形成球状的空间结构的特性使分析内部的杂原子俘获并稳定金属纳米粒子，其在也想中催化烯烃加氢如1,3-环辛二烯选择性加氢，转化率高达99%。

（2）离子液体为载体，其由一种含氮有机阳离子和一种无机阴离子组成, 在室温或其附近温度下呈液态，过渡金属纳米粒子可以稳定分散在离子液体中，且其阴阳离子的结构能对催化中心的性能产生影响，如在1-正丁基-3-甲基咪唑的六氟磷酸盐中，用H2还原制得的Ir纳米颗粒，可以在温和的条件下实现烯烃的双相催化氢化,且催化剂溶液可反复使用。

（3）聚合物为载体，聚合物稳定分散纳米过渡金属粒子，除了依靠它的空间结构，还依赖于作为配体的杂原子与纳米粒子表面的弱结合。PVP是最常用的稳定分散纳米粒子的聚合物，如用PVP包裹的Pt纳米簇在30℃，101 kPa的氢气下可催化氢化乙醇中的甲基丙烯酸酯。此外, Ley等将Pd纳米颗粒(约2 nm)装入聚脲微胶囊，可催化环氧衍生物的开环加氢反应。

（4）氧化物为载体，该种例子比较多，如用沸石分子筛作为载体，就不多做介绍。

2.2.1.2氧化反应

Jiang等将Ag纳米颗粒通过电解的方法负载于沸石薄膜包裹的铜管网上，在相对较低的温度下, 催化氧化1,2-丙二醇成甲基丙二醛，转化率为92.8%,选择性达75.6%。将两种不同形态(线状和颗粒状)的纳米Ag负载于α-Al2O3上，可在气相中催化氧化苯乙烯。在烯烃的双羟基化和氧化断开烯烃双键方面，有报道用羟基磷灰石负载Rh纳米颗粒作催化剂，相对于通常

所用的OsO4来说, 它毒性小且容易制备。近来，Au作为催化剂被广泛关注，如Au/Fe2O3气凝胶催化剂、Au/CeO2可以有氧催化氧化醇成醛酮甚至成羧酸将Cu负载于Al2O3，也能催化

氧化二级醇为酮，转化率和选择性都近100%。Ovejero用硝酸处理过的碳纳米管负载Pt纳米颗粒。用在水溶液中催化氧化苯胺，催化剂可回收使用。

2.2.1.3偶联反应

Heck反应主要报道的催化剂是贵金属Pd,如用dendrimer包裹直径1～2 nm的Pd 纳米颗粒，在超临界CO2中，高选择性高产率地催化碘代苯和丙烯酸脂发生Heck杂偶联反应(Scheme)。此外该催化剂还可以催化氢化苯乙烯成乙苯。Luo等[用聚乙二醇(PEG)稳定Pd 纳米颗粒，催化Heck 反应, 重复使用6次依然没有丧失活性。

2.2.2类型

2.2.2.1钒

以工业V2O5为原料，采用无机Sol-gel途径制得V2O5胶体，颗粒大小为50~150nm，且分散较均匀，活性可以达到87.4%。

2.3多组分合金型纳米催化剂

多组分合金型NCs是由两种以上金属原子组成, 且大多呈无定型态。合金型NCs的比表面积和配位不饱和度都很高, 属极富潜能的催化剂。Bock等以比表面积较大的C为载体,将Pt、Ru沉积在其表面制得的合金NCs 在甲醇电氧化反应中表现出较高的催化活性。

2.3.1类型及其应用

2.3.1.1TiO2 - SnO2复合纳米膜

采用以钛酸丁酯为原料低温水解制备了具有晶态结构TiO2与TiO2-SnO2复合透明水溶胶,在

铝片上制备了结构紧密的均匀复合纳米薄膜,在其他条件一定时，改变TiO2和SnO2比例，TiO2- SnO2复合膜光催化活性逐渐提高,当n (SnO2)∶n (TiO2) = 1∶20 时,丙酮光催化降解

率在5h时达到了77.15%。

2.3.1.2 Ag/TiO2复合纳米催化剂

利用光催化还原法在TiO2 上负载金属银,通过控制溶液的pH值来控制负载银的形貌,提高

TiO2 表面负载银的分散度,，TiO2上负载银的分散度较高, 既能保证光电子的有效激发, 又能有效抑制光生电子与空穴的复合,因而能更有效地改善其光催化性能。

2.3.1.3 Al203/ZrO2复合纳米催化剂

利用“诱导化学镀”的方法制备，使Al203负载纳米ZrO2应用于N, N-二甲基苯胺的气相法合成工艺中，因为其合成方法简单、环境友好、生产成本低、性能稳定等优点，解决了N, N-二甲基苯胺在生产工艺周期长、污染重的问题。

2.4金属簇纳米催化剂

纳米金属簇属介观相, 具有与微观金属原子和宏观金属相显著不同的性质。我国科研人员在该研究领域已经取得突破性进展。据中国科学院纳米科技网报道, 刘汉范等采用化学还原法制备了Pt 族纳米金属簇以及Pt-Pd、Pt-Rh 、Pt-Au 等纳米双金属簇。该研究小组还将高

分子基体效应与冷冻干燥技术相结合, 实现了大量合成纳米金属簇;他们还利用微波介电加热技术实现了纳米金属簇的连续合成, 并解决了纳米贵金属簇的稳定性问题。Winans 等将Pt金属簇负载到硅晶片自然氧化的表面上(SiO2/Si(111)),得到了稳定性极高的纳米金属簇。

2.5过渡金属氧化物纳米催化剂

过渡金属氧化物NCs主要用于工业氧化还原催化反应中,与金属单质催化剂相比, 其耐热性

和抗毒化性能显著提高, 同时还具有一定的光敏和热敏性能采用Sol-gel方法可以分别制得MnOx/ZrO2，NCs和磁性纳米固体酸催化剂SO42-，TiO2-Fe3O4；前者在催化还原NO反应中表现出较高的活性, 后者则可广泛应用于烯烃双键异构化、烷烃骨架异构化、烯烃烷基化、煤液化及酯化等反应。

2.6纳米分子筛催化剂

相对于普通孔径分子筛, 纳米分子筛具有更大的外表面积和较高的晶内扩散速率, 在提

高催化剂的利用率、增强大分子转化能力、减小深度反应、提高选择性以及降低结焦失活等方面均表现出优异性能。王岚等采用常规的水热合成技术, 制备了ZSM-5纳米分子筛催化剂, 其吸附能力和表面活性都比微米分子筛有明显提高Hatori等以聚酰亚胺和硝酸镍为原料,

制得的MSC (molecular sieve carbon)催化剂在丁烯异构体氢化反应中表现出较高的催化活性。

2.6.1 ZSM-5 分子筛

石科院采用分段晶化、添加晶种以及控制成核温度和晶化温度等方法合成出了纳米ZSM-5分子筛，其外比表面积明显高于常规的ZSM-5分子筛，总孔体积较大，应用于直馏汽油汽油非临氢改质反应。

2.6.2 纳米β分子筛

石科院采用固体硅胶为硅源, 偏铝酸钠为铝源, TEAOH为模板剂合成了β分子筛，应用于苯与乙烯烷基化反应中的催化性能。

2 .7生物纳米催化剂

与传统的化学催化剂相比, 生物催化剂最显著的优势就是反应条件比较温和, 能够使用再生原料。生物催化剂多指酶催化剂, 实质上是一类具有特殊结构的蛋白质分子, 其尺度通常在纳米范围。酶催化剂主要包括水解酶、裂解酶、异构酶、还原酶和合成酶等, 对作用底物具有高度的专一性。文献报道, 甲烷单加氧酶(MMO)能在相当温和的条件下将甲烷选择性氧化为甲醇, 实现了化学催化几乎不可能实现的转化。

3.纳米催化剂的制备方法

3.1溶胶-凝胶法

Sol-gel法主要是以金属无机盐或醇盐为前驱体, 利用其水解或聚合反应制备金属氧化物或金属非氧化物的均匀溶胶, 再将溶胶浓缩成透明凝胶;凝胶再经干燥、热处理即可得到纳米颗粒。

3.2浸渍法

浸渍法通常将载体放入含活性组分的溶液中, 待浸渍达平衡后分离出载体, 对其进行干燥、焙烧后即得到催化剂, 但该方法仅适用于载体上含少量纳米颗粒的情况。

3.3沉淀法

沉淀法是在液相中将化学成分不同的物质混合, 再加入沉淀剂使溶液中的金属离子生成沉淀, 对沉淀物进行过滤、洗涤、干燥或煅烧制得NCs。

3 .4微乳液法

微乳液法首先需要配制热力学稳定的微乳液体系, 然后将反应物溶于微乳液中, 使其在水核内进行化学反应, 反应产物在水核中成核、生长, 去除表面活性剂, 将得到的固体粗产物在一定温度下干燥、焙烧, 即可得到粉体NCs。

3.5离子交换法

首先对沸石、SiO2等载体表面进行处理, 使H+、Na+等活性较强的阳离子附着在载体表面上;然后将此载体放入含Pt(NH3)5 Cl2+等贵金属阳离子基团的溶液中, 通过置换反应使贵金属离子占据活性阳离子原来的位置, 在载体表面形成贵金属纳米微粒。

3.6水解法

首先在高温下将金属盐溶液水解, 生成水合氧化物或氢氧化物沉淀, 再将沉淀产物加热分解得到纳米颗粒。该方法可分为无机水解法、金属醇盐水解法和喷雾水解法等。其中金属醇盐水解法是最常用的一种制备NCs的方法。

3.7等离子体法

应用等离子体活化手段不仅可以活化化学不活泼分子, 还可以解决热力学上受限反应的问题。利用冷等离子体特有的热力学非平衡特性, 可使催化剂制备和活化过程低温化、高效化。将使用等离子体方法制得的纳米Cu 、Cr、Mn、Fe、Ni颗粒, 按一定比例与载体加入自制的加载装置内混合, 在机械力作用下可形成均匀、牢固的负载型纳米金属催化剂。

3.8微波合成法

在微波辐射作用下, 金属盐或醇盐溶液能直接分解, 生成超细金属氧化物或硫化物粉体。3.9纳米材料制备耦合技术

随着各种制备技术的发展, 耦合技术也被用于制备NCs。该方法可以有效地将两种制备方法

的优点相结合, 制备出新型、高效的NCs。

3.10电爆炸丝法

利用脉冲大电流通过金属丝，使其发生电爆炸产生高温高速金属( 或者金属化合物) 微粒撞击载体表面，迅速冷凝，与载体表面结合形成纳米催化剂涂层。该方法只是处于实验室研究阶段，对能源的要求较大，还无法适应工业化连续生产，因此需要在方法上继续改进以优化过程。

3.11超临界流体法

该法主要是以超临界流体为反应媒介，金属盐发生水解和脱水等反应，经过沉淀形成纳米催化剂。过程中还可以利用多孔材料制备负载型纳米催化剂。。该方法的优势主要是超临界流体具有独特的物理化学性质，具有良好的传质能力，溶解能力以及较低的粘度，为纳米颗粒的生成提供一个稳定的反应环境。在未来的生产中可以和化学合成工艺相结合。

4纳米催化剂的应用

4.1在催化氧化还原反应中的应用

(1)在催化氧化反应中的应用

以往在有机氧化反应中所采用的氧化剂大多有一定毒性,因此多年来研究者一直在寻求高性能、低成本、低(无)毒、可回收的催化剂。NCs 的出现给有机合成工业带来了前所未有的契机。Wu等的研究结果表明, 对于乙烷催化氧化脱氢反应,纳米NiO催化剂较之常规NiO可以在较低的反应温度发挥更好的催化作用。

(2)在加氢还原反应中的应用

虽然催化加氢反应代表的只是工业有机制备反应的一小部分, 但却是石油工业中的原油加氢处理方面的一个必不可少的过程, 该过程能够减少柴油和飞行器燃料中的部分芳香族和不饱和碳氢化合物的含量, 从而显著提高燃烧效率。以硅为基底的纳米Pt催化剂对还原TOF(磷酸三辛酯)33000和TOF10000均表现出超强的催化活性。负载到纳米孔内的双金属纳米颗粒(Ru6Pd6、Ru6Sn、Ru10Pt2、Ru5PtRu12Cu4Ru12Ag4)在许多低温单步加氢反应中均表现出很高的催化活性, 对于多烯烃的选择加氢特别有效。

4.2在环境保护领域的应用

(1)光催化降解

NCs可将水或空气中的有机污染物完全降解为二氧化碳、水和无机酸, 已广泛地应用于废水、废气处理, 并且在难降解的有毒有机物的矿化分解等方面也比电催化、湿法催化氧化技术有着显著优势。文献中报道以Fe3O4为载体, 在Fe3O4与TiO2之间包裹SiO2,制备了磁性纳米复合

催化剂, 既维持了光催化剂悬浮体系的光催化效率, 又可利用磁性处理技术回收光

催化剂。纳米ZrO2也是一种很好的光催化剂, 在紫外光照射下, 既能杀死微生物, 又能分解微生物赖以生存、繁衍的有机营养物, 从而达到杀/ 抗菌的目的。

(2)尾气处理

CO X和NO是汽车尾气排放物中的主要污染成分。负载型NCs Pt-γ-Al2O3-CeO2有效地解决了催化剂使用温度范围与汽车尾气温度范围不匹配的问题,催化CO 转化率可高达83 %。Sarkar等运用模拟实验证实,在存在氧气条件下,Pd-Rh NCs在CO氧化过程中表现出很高的活性,而在无氧状态下,Pt-Rh NCs活性更高;对于NO还原反应, 无论氧气存在与否, Pt-Rh NCs 都表现出较高的催化活性。此外, Khoudiakov等的研究结果表明,沉积在过渡金属氧化物Fe2O3上的纳米Au微粒对于室温下CO的氧化也具有很高的催化活性。

4.3在电池工业中的应用

在燃料电池的开发研究中, 催化剂是关键材料之一, 要求其必须具有比表面积大、稳定性和活性高、不易中毒等优点。以聚合物电解质燃料电池为例, 其发展一直受到一些因素的束缚, 如催化剂比表面积较小以及穿过Nafion膜的甲醇电催化反应缓慢等。通过增加碳基底上的Pt 及其合金的比表面积, 可以有效地提高催化剂表面的电化学反应速率。Prabhurum 等制备了以Vulcan XC-72碳为基底的纳米Pt催化剂, 可用作燃料电池的催化剂, 效果比较理想。纳米Ag粉、Ni粉的轻烧结体也可作为化学电池、燃料电池和光化学电池的电极, 可以有效地增大与液相或气体之间的接触面积, 增加电池效率, 有利于电池小型化。

4.4其他应用

日本林利生等发现，具有明显惰性和耐腐蚀性的Au，当粒径小于5nm时，负载于固载在Fe203，NiO上，在-70℃时具有断裂C-C键或者加到C-H键之间的能力，可作为CO氧化、烃类氧化等反应的催化剂，而且表现IB族，Ⅷ族金属相同的活性。负载型纳米铜催化剂用于甲醇蒸汽转化，不但具有高的选择性，而且反应活性极高，氢气的生成速度可以达到200-300cm3/min*g*cat。

火箭发射的固体燃料推进剂中, 添加约1%纳米铝或镍微粒, 每克燃料的燃烧热可增加一倍; 超细硼粉一高铬酸按粉可以作为炸药的有效催化剂。

5总结

相对于国外的制备技术，国内的制备技术还基于在别人技术创新上的模仿，而缺乏对某些制备过程中的机理的理解，所以创新性比较小，但是改进NCs制备技术是最为基础、关键的环节, 预计采用两种甚至两种以上制备技术进行耦合将成为一种新趋势。需要尽快建立合理的反应动力学和热力学模型, 从而更好地指导NCs制备。此外, 还应该继续加强对催化剂表征技术的研究, 因为通过先进的表征手段可以更好地了解催化剂微观结构与其性能之间的关系, 在更深层次准确判断活性位置、认知催化反应机理, 才有可能更深入地了解催化作用的本质，由于自身在材料研究方法这课上没认真学习，所以表征方法在上述文章没提到。但是未来的纳米材料催化剂发展一定是趋向于绿色化学，故应在环保NCs上投入更多。

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纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗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，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

纳米材料和纳米结构

纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念： （1）关于颗粒及颗粒度的概念 （i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 （ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。 （iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 （iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。 （2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式） 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳

纳米催化剂

纳米催化剂的制备及应用 学院：化工学院专业：化学工程与技术 学生姓名：学号： 摘要：纳米催化剂具有大比表面积、高表面能、高度的光学非线性、特异催化性和光催化性等特性，在一些反应中表现出优良的催化性能。本文简要介绍了纳米催化剂的基本性质，综述了纳米催化剂的制备方法和特性，讨论了纳米催化在化工中的应用，对今后纳米催化材料研究方向进行了展望。 关键词：纳米催化剂制备在化工中的应用发展 近年来，纳米催化剂(Nanometer catalyst--NCs)的相关研究蓬勃发展。NCs 具有比表面积大、表面活性高等特点，显示出许多传统催化剂无法比拟的优异特性；此外，NCs还表现出优良的电催化、磁催化等性能，已被广泛地应用于石油、化工、能源、涂料、生物以及环境保护等许多领域。目前，纳米技术的研究主要向两个方向进行：一是通过新技术减少目前使用的材料如金属氧化物的用量；二是进行新材料的开发，如复合氧化物纳米晶。由于纳米粒子表面积大、表面活性中心多，所以是一种极好的催化材料。将普通的铁、钴、镍、钯、铂等金属催化剂制成纳米微粒，可大大改善催化效果。在石油化工工业采用纳米催化材料，可提高反应器的效率，改善产品结构，提高产品附加值、产率和质量。目前已经将纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原和合成反应的催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的反应温度从600e降至常温。随着世界对环境和能源问题认识的深入，纳米材料在处理污染、降解有毒物质方面有良好光解效果[1]。在润滑油中添加纳米材料可显著提高其润滑性能和承载能力，减少添加剂的用量，提高产品的质量。对纳米催化剂的研究无论理论上还是实际应用上都具有深远的意义。 1纳米催化剂的制备方法 纳米催化剂的制备方法直接影响到其结构、粒径分布和形态，从而影响其催化性能。文献中报道的制备方法多达数10种，本文主要介绍其中常用的几种。1.1溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是指金属有机或无机化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其他固体化合物的方法。其过程是：用液体化学试剂（或粉状试剂溶于溶剂中）或溶胶为原料，而不是传统的粉状物为反应物，在液体中混合均匀并进行反

纳米材料科学与技术

聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress

纳米材料用在哪方面

纳米技术是新世纪一项重要的技术，为多个行业带来了深远影响。纳米技术包含几个方面：纳米电子学，纳米生物学，纳米药物学，纳米动力学，以及纳米材料。其中，纳米材料主要集中在纳米功能性材料的生产，性能的检测。其独特性使它应用很广，那么，纳米材料用在哪方面呢 1、特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体（如SiC、WC、BC等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入%%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。 纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，获得烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。 2、生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也

浅谈纳米材料与生活

浅谈纳米材料与生活 摘要：人类迈着欢快的步伐轻松地进入二十一世纪。二十世纪是计算机技术革命蓬勃发展的时期，计算机技术得到了卓越的发展。现在人类进入了又一世纪，在这个日新月异的新的世纪里，科学家通过运用的发达的计算机技术，为我们奏起了“纳米技术”发展的号角。“纳米技术”主要是围绕开发纳米材料为核心而发展的技术，它有着广阔的发展前景，随着纳米技术的发展纳米材料也不断有着新的开发。“纳米材料”的有效发掘及其利用必定会给人们的生活带来又一翻天覆地变化，给人们的衣、食、住、行、医疗卫生事业带来极大便利。本文主要是通过给大家说明纳米材料的本质这一基点，向大家普及纳米材料的特性，以使更多的人能对纳米材料有整体的认识。除此之外更重要的就是联系生活实际，向大家说明纳米材料是如何影响人们生活的。到目前为止，它的发展的确已经给我们生活带来了很多便利，我相信在纳米技术不断进步、发展的未来，纳米材料一定有更广阔的空间。 关键词：纳米、纳米技术、纳米材料、应用 现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要发动机，他将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，并将成为最有前途的材料，它所见具有的独特物理和化学性质，可以节省资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行业带来新的机遇。 纳米材料的特性： 纳米材料是英文“napometer”的译音，是一个物理学上的长度单位。1纳米是1米的十亿分之一，用我们能看见的最小微粒院子来表示的话，相当于45个远在啊排列起来的长度。自然界只有生物具有纳米尺度，遗传基因DNA螺旋结构的半径约1纳米左右，一个典型的病毒大约100纳米长，相当于万分之一的头发丝的粗细。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。作为尺度单位的纳米，并没有物理内涵，当物质到纳米尺度后，

金属纳米晶体的表面与其催化效应

金属纳米晶体的表面与其催化效应 沈正阳 (浙大材料系1104 3110103281) 摘要：概括纳米材料的表面与界面特性，从金属纳米晶体表面活性与结构介绍其的催化性能，简要概述金属纳米晶体形状与晶面的关系以及金属纳米晶体的成核与生长。 关键词：纳米金属；表面活性；催化；高指数晶面 1.纳米材料的表面与界面 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。强烈的表面效应，使超微粒子具有高度的活性。如将刚制成的金属超微粒子暴露在大气中，瞬时就会氧化，若在非超高真空环境，则不断吸附气体并发生反应。[1] 纳米晶体是至少有一个维度介于1到100纳米之间的晶体。纳米材料主要由晶粒和晶粒界面2部分组成，二者对纳米材料的性能有重要影响。纳米材料微观结构与传统晶体结构基本一致，但因每个晶粒仅包含着有限个晶胞，晶格点阵必然会发生一定程度的弹性畸变，其内部同样会存在各种缺陷，如点缺陷、位错、孪晶界等。纳米金属粒子的形状、粒径、颗粒间界、晶面间界、杂质原子、结构缺陷等是影响其催化性能的重要因素。纳米材料中，晶界原子质量分数达15%~50%，晶界上的原子排列极为复杂，尤其三相或更多相交叉区，原子几乎是自由的、孤立的，其量子力学状态和原子、电子结构已非传统固体物理、晶体理论所能解释。金属纳米晶体研究中，发现面心立方结构纳米金属如 Al、Ni、Cu 和密排六方结构Co都存在孪晶和层错缺陷，Cu纳米金属中存在晶界滑移。 2.金属纳米晶体的催化性能 近年来，关于纳米微粒催化剂的大量研究表明，纳米粒子作为催化剂，表现出非常高的催化活性和选择性。这是因为纳米微粒尺寸小，位于表面的原子或分子所占的比例非常大，并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大，同时微粒的比表面积及表面结合能迅速增大。纳米颗粒表面原子数的增加、原子配位的不足必然导致了纳米结构表面存在许多缺陷。从化学角度看，表面原子所处的键合状态或键

北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办“纳米材料与技术”专业本科教育项目

北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办 “纳米材料与技术”专业本科教育项目 1、项目介绍： 本项目是北京地区高校中第一个被教育部批准的“纳米材料与技术”专业本科教育中外合作办学项目【教外综函[2012]49号】。 2、培养目标： 专业融合两校的优势课程，引入国际先进的教育理念，充分发挥北京市纳米科技资源优势，制定与国际接轨的教学培养方案和教学质量监控体系，努力培养德智体全面发展，数理、材料与技术基础扎实，解决实际问题能力强，富有创新精神和开拓能力，有国际视野，能在科研、高校及企事业单位从事与纳米材料与技术相关研发、教学与管理工作的高端复合型人才。 3、学制模式： 纳米材料与技术专业学制4年，采取2+1+1培养模式，学生前两年和第四年在北京交通大学全日制学习，第三年赴加拿大滑铁卢大学全日制学习。专业将摈弃高校传统的大学英语教学模式，聘请滑铁卢大学教师对学生英语语言能力进行全方位培训，提高学生英语应用能力。第一学年实行双语授课，此后实施全英文教学，专业总课程和核心课程的三分之一以上由滑铁卢大学老师和外教承担，实现本土教学的国际化。 4、培养层次（学位）： 学生完成全部纳米材料与技术专业课程以及毕业设计，成绩合格获北京交通大学工学学士学位。若所修课程也达到滑铁卢大学本科毕业要求，可同时获得滑铁卢大学学士学位。 5、毕业去向： 预计75%以上毕业生深造，其中去国外、境外知名高校、科研机构继续深造学生数将达到50%，其余毕业生可在国内高校、科研机构及企事业单位等从事科学研究、技术开发、教学和管理等工作。 6、核心课程： 材料与纳米科学技术、固体物理、材料的光学及电学性能、生物材料、高分子材料、固体材料与纳米器件、纳米物理学。 7、学习费用：

纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法

纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中

纳米科技与纳米技术

纳米技术 1510700224 韦甜甜纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术，也称毫微技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。 利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。 在我国，纳米技术早已融入到大众的生活了，包括很多涂料、纤维材料、燃料、高分子合成和纺织品加工处理技术等等。其实纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米技术内容 1、纳米材料 当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。 过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。 这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。 2、纳米动力学 主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.

纳米技术知识材料

纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。

纳米材料与技术作业

纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产

影响纳米材料光催化性能的因素

二、影响纳米材料光催化活性的因素。 1、半导体的能带位置 半导体的带隙宽度决定了催化剂的光学吸收性能。半导体的光学吸收阈值λg与Eg有关，其关系式为：λg=1240/Eg。半导体的能带位置和被吸附物质的氧化还原电势，从本质上决定了半导体光催化反应的能力。热力学允许的光催化氧化还原反应要求受体电势比半导体导带电势低（更正）；而给体电势比半导体价带电势高（更负）。导带与价带的氧化还原电位对光催化活性具有更重要的影响。通常价带顶VBT越正，空穴的氧化能力越强，导带底CBB越负，电子的还原能力越强。价带或导带的离域性越好，光生电子或空穴的迁移能力越强，越有利于发生氧化还原反应。对于用于光解水的光催化剂，导带底位置必须比 H+/H2O(-0.41eV)的氧化还原势负，才能产生H2，价带顶必须比O2/H2O(+0.82eV)的氧化还原势正，才能产生O2,。因此发生光解水必须具有合适的导带和价带位置，而且考虑到超电压的存在，半导体禁带宽度Eg应至少大于1.8eV。目前常被用作催化剂的半导体大多数具有较大的禁带宽度，这使得电子-空穴具有较强的氧化还原能力。 2、光生电子和空穴的分离和捕获 光激发产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的是分离和复合两个相互竞争的过程。对于光催化反应来说，光生电子和空穴的分离与给体或受体发生作用才是有效的。如果没有适当的电子或空穴的捕获剂，分离的电子和空穴可能在半导体粒子内部或表面复合并放出荧光或热量。空穴捕获剂通常是光催化剂表面吸附的OH-基团或水分子，可能生成活性物种·OH，它无论是在吸附相还是在溶液相都易引发物质的氧化还原反应，是强氧化剂。光生电子的捕获剂主要是吸附于光催化剂表面上的氧，它既能够抑制电子与空穴的复合，同时也是氧化剂，可以氧化已经羟基化的反应产物。 3、晶体结构 除了对晶胞单元的主要金属氧化物的四面体或八面体单元的偶极矩的影响，晶体结构（晶系、晶胞参数等）也影响半导体的光催化活性。TiO2是目前认为最好的光催化剂之一。TiO2主要有两种晶型—锐钛矿和金红石，两种晶型结构均可由相互连接的TiO6八面体表示，两者的差别在于八面体的畸变程度和八面体间相互连接的方式不同。结构上的差异导致了两种晶型有不同的质量密度及电子能带结构。锐钛矿的质量密度略小于金红石，且带间隙（3.2eV）略大于金红石（3.1eV），这是其光催化活性比金红石的高。 4、晶格缺陷 根据热力学第三定律，除了在绝对零度，所有的物理系统都存在不同程度的不规则分布，实际晶体都是近似的空间点阵式结构，总有一种或几种结构上的缺陷。当有微量杂质元素掺入晶体时，也可能形成杂质置换缺陷。这些缺陷的存在对光催化活性可能起着非常重要的影响。有的缺陷可能会成为电子或空穴的捕获

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

对纳米材料的认识

浅谈对纳米材料的认识 “纳米”这个词语我们并不陌生，生活中常见的有“纳米洗衣机”、“纳米羊绒衫”等等。纳米材料几乎无处不在，在这里简单谈谈我对纳米材料的认识。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，将从微米层次深人至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 纳米材料具有许多的特殊性质。由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。 纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。 经过几十年对纳米技术的研究探索。现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子．纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪四大领域高速发展。 目前，不少国家纷纷制定相关计划，投入巨资抢占纳米技术的战略高地。每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能，尤其是纳米机器人具有不可限量的应用前景。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。

纳米科学与技术

深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订

课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常

压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管

简述纳米材料的发展历程

简述纳米材料的发展历程 纳米材料问世至今已有20多年的历史,大致已经完成了材料创新、性能开发阶段,现在正步人完善工艺和全面应用阶段。 “纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向，日前正待开展中试放大研究。 该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产，正在建设规模化生产线。 联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应 用研发和产业化，该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升，带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(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。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。

纳米载体的限域效应对催化性能影响机制的研究进展

纳米载体的限域效应对催化性能影响机制的研究进展 自上世纪末以来, 纳米科学和技术有了长足的进展，其中纳米材料的一个重要特性是，将体系的尺寸减小到一个特定的范围(如 1~100 nm)时，在不添加任何其他组分的情况下，纳米体系的电子结构会发生变化。量子力学已经证明，大量原子组成的固体材料的价电子为连续的“能带”，当这类体相材料在某一方向上被缩小，特别是缩小到纳米尺度时，电子在该方向的运动就受到空间的束缚和限域，这种限域效应将会改变电子运动特性、导致体系电子结构特别是价电子结构的改变，从而可能会产生量子突变。这种体系尺寸对电子特性的调变为催化剂的催化特性进行调控提供了一种很好的途径[1]。. 近几年，部分研究团队在利用纳米材料的限域效应对催化剂的改性以及催化过程的研究等方面开展了创新性的研究工作，并且大量具有影响力的研究报道和文章被发表出来，其中中国科学院大连化学物理所包信和院士团队在这方面的工作开展的较早也很突出。该团队在铂金属颗粒表面加载了过渡金属氧化物，制备出了具有界面限域效应的TMO/Pt非均相逆催化剂（Oxide-on-Metal Inverse Catalysts），利用界面限域效应对催化体系结构和电子特性的影响作用，改善了在催化过程（特别是在催化氧化反应）中传统非均相催化剂容易出现的催化活性中心的失活以及催化功能的失效等问题[2]。

图1两种金属催化体系的结构示意图 (A)传统的氧化物作为载体的金属催化体系(Oxide supported metal system) 和 (B)过渡金属纳米氧化物倒载型催化体系(oxide-on-metal system) 如图1所示为传统过渡金属氧化物作为载体的催化体系和过渡金属纳米氧化物倒载型催化体系的结构示意图。纳米氧化物倒载型催化体系相比传统非均相催化剂，具有更多的TMO/Pt界面（如示意图B 中氧化物边缘的黄色虚线所示）。由于TMO与Pt的表面张力的不同，倒载型催化体系中氧化物（FeO）趋向于在Pt金属表面形成均有双层结构的层状纳米岛结构（由于Fe与Pt具有较强的作用力，双层结构底层与Pt金属结合的为Fe原子，上层为氧原子），而传统催化体系中的Pt金属易于在氧化物颗粒形成较大的颗粒状结构，如下图2所示。基于上述的界面结构特点，倒载型催化体系具有更多的TMO/Pt 界面，并且过渡金属中阳离子(Fe)与贵金属(Pt)间的相互作用力更强。 图2 两种催化体系的界面结构示意图 （A、B为传统的氧化物作为载体的金属催化体系， C、D为过渡金属纳米氧化物倒载型催化体系）