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纳米材料的制备与表征摘录(打印)

纳米材料的制备与表征摘录(打印)
纳米材料的制备与表征摘录(打印)

纳米材料的制备与表征方法摘录

作者姓名:彭家仁

单位:五邑大学广东江门

摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。

关键词:纳米材料;结构特性;特异效应;应用;制备方法

Methods of Preparation and Characterization of nano-materials

Kevin Peng

(WUYI University Jiangmen Guangdong)

Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials.

Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言

从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。

1结构特性

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同,因此在这方面的研究报道不多。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大,当晶粒尺寸为10nm时,一个金属纳米晶内的界面可达6×1025m2时,晶界原子达15%~50%,可以用TEM(透射电镜)、X 射线、中子衍射以及其他方法来表征纳米材料及其结构。为描述纳米晶界结构,人们提出了许多模型,概括起来可分为三种不同的学说Gleiter的完全无序说、Siegel的有序说和有序无序说。

目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构。其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂,它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关,而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布,它们处于无序到有序的中间状态,有的与粗晶界面结构十分接近,而有的则更趋于无序状态。

2特异效应与性能

正是由于上述纳米材料结构上的特殊性和处于热力学上极不稳定的状态,导致了它具有如下四方面的特异效应,并由此派生出传统固体不具有的许多物理化学性能。

2.1特异效应

(1)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的现象,纳米半导体微粒存在不连续的最高被占分子轨道和最低未被占分子轨道能级,能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。(2)小尺寸效应(或体积效应)

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,晶体的周期性的边界条件将被破坏;在非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化,这就是纳米粒子的小尺寸效应。(3)表面与界面效应

表面效应是指纳米微粒表面原子与总原子数之比,随粒径的变小而急剧增大后引起性质上的变化。纳米材料的颗粒尺寸小,位于表面的原子所占的体积分数很大,产生相当大的表面能。随着纳米粒子尺寸的减小,比表面积急剧加大,表面原子数及比例迅速增大。

(4)宏观量子隧道效应

量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发,解释粒子能够穿越比总能量高的势垒,这是一种微观现象。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。(5)介电限域效应

随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加,其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。

2.2物理化学性能

纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体,也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时,纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用,强烈地影响物质的宏观性质。

(1)化学性能

纳米材料由于其粒径的减小,表面原子数所占比例很大,吸附能力强,因而具有较高的化学反应活性。

2)催化性能

在适当的条件下,可以催化断裂H-H、C-C、C-H和C-O键。这是由于比表面积大,出现在表面上的活性中心数增多所致。纳米材料作为催化剂具有无细孔、无其他成分、能自由选择组分、使用条件温和、使用方便

等优点,从而避免了常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来的某些副产物的生成。

(3)光学性能

当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级时,其颜色大都变成黑色,且粒径越小,颜色越深,表明纳米材料的吸光能力越强。纳米材料的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。由于晶粒中的传导电子能级往往凝聚成很窄的能带,因而造成窄的吸收带。

(4)电磁性能

金属材料中的原子间距会随其粒径的减小而变小,因此,当金属晶粒处于纳米范畴时,其密度随之增加。在纳米材料中,当粒径小于某一临界值时,每个晶粒都呈现单磁畴结构,而矫顽力显著增长。纳米材料的这些磁学特性是其成为永久性磁体材料、磁流体和磁记录材料的基本依据。

3应用

纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。

3.1在催化方面的应用

纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。起化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属(Ag,Pd,Pt,Rh 等)的纳米粉末为主;二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作为催化剂,如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃料后,对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用,同时不会增加尾气中的硫含量。

3.2在生物医学方面的应用

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离;用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用。医疗工业中。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器,其过滤孔径为纳米量级,在医疗工业中可用于

血清消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。

3.3在环保方面的应用

纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。

3.4在工程材料中的应用

(1)纳米陶瓷材料。纳米材料因粒径小、熔点低以及相变温度低等特征,添加纳米颗粒使常规陶瓷的综合性能得到改善。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性均有显著提高。

(2)高熔点材料的烧结。纳米材料的体积效应使得通常在高温烧结的材料,如SiC、WC和BC等,在较低温度下就可获得高密度的烧结体。

(3)高密度磁记录材料。磁性纳米材料因具有单磁畴结构,矫顽力很高,故用它作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。高矫顽力的强磁性纳米材料还可以制成磁性信用卡、磁性票证及磁性钥匙等。

3.5在文物保护方面的应用

我国的一些文物(如秦兵马俑)遭受霉菌侵扰而受到损害,最新的纳米成果将对其加

以保护,使其永葆青春。西北大学纳米材料研究所新研制成的纳米材料可涂在文物表面后可形成一种“无机膜”,使文物完全与外界条件隔绝,有利于文物的长期保护。这种纳米材料可以吸收紫外线,保护文物的颜色不变,材质不腐坏,还可有效地排除虫菌对文物的侵蚀。这种纳米“无机膜”除了对陶质文物可进行有效保护外,还可用于丝绸和书画等文物的保护。

4制备方法

从Gleiter等(1951)]首次应用惰性气体凝聚(IGC)结合原位冷压成型法(In-situCom-Paction)在实验室制备出纳米晶体样品以来,又提出和发展了机械研磨法,非晶态晶化法,电沉积法等许多种制备方法。对纳米材料的制备方法目前主要有三种分类方法。第一种是根据制备原料状态分为固体法、液体法及气体法。第二种按反应物状态分干法和湿法。第三种为物理法和化学法两大类。其中物理法包括惰性气体蒸发法、爆炸法、严重塑性变形法、激光束法、机械合金化法等;化学法包括气相燃烧合成法、溶胶-凝胶法、有机液相合成法等。

4.1物理法

(1)惰性气体蒸发法。目前,大部分金属纳米粒子都是通过惰性气体蒸发法制得的,该法的主要过程是在真空蒸发室内充入惰性气体,然后对蒸发源进行真空加热、蒸发,使原料气化或形成等离子体,原料气体与惰性气体原子碰撞失去能量而骤冷成纳米尺寸的团簇。

(2)爆炸法。将高能炸药(TNT)置于密闭压力容器内,将容器抽成真空,再充入保护性气体。炸药爆轰发生分解反应生成游离碳,在爆轰产物高温和高压作用下发生碳原子的聚集、晶化等一系列变化,合成纳米级粉体,然后再酸洗提纯就可得到纳米级金刚石粉。

(3)严重塑性变形法。严重塑性变形法是指在静压力的作用下,使块状材料发生严重的形变,最终细化到纳米尺度,得到晶态材料和非晶态材料的混合物,再经过一定的热处理,从而得到纳米材料。4.2化学法

(1)气相燃烧合成法。气相燃烧合成是指在气体燃烧火焰中形成纳米颗粒。该法不仅可以合成氧化物纳米颗粒,而且通过气体的无氧燃烧,可以合成金属氮化物、碳化物等非氧化物纳米颗粒,气相燃烧合成已应用于批量生产纳米石墨、超细氧化钛涂料。合成的纳米颗粒粒度细,粒子团聚少,粒度分布窄,产物纯度高。

(2)溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法制备纳米材料的主要步骤是先制备金属化合物,然后金属化合物

溶解在适当的溶剂中,经过溶胶、凝胶过程而固化,再经低温热处理得到纳米粒子,与其他方法比。该法具有反应物种多、各组分混合均匀性好、合成温度低、过程易控制等优点,广泛应用于制备陶瓷纳米颗粒和氧化物纳米颗粒。该法的不足之处是必须进行后处理才能得到纳米颗粒,而且纳米颗粒容易发生团聚。

(3)有机液相合成法。有机液相合成法主要用在有机溶剂中,能够稳定存在的金属有机化合物和某些无机物成为反应原料,在适当的条件下生成纳米材料。该法的显著优点是克服了某些反应物在水溶液中不能稳定存在的缺点,反应产物可以通过精馏或结晶达到很高纯度。缺点是反应时间过长,产物须进行后处理才能得到结晶较好的纳米颗粒。

4.3其它方法

报导的方法尚有相转移法、配位沉淀法、气相蒸发法、热解法、气相反应法、微波等离子体化学气相沉积法、机械化学法、机械球磨法、电弧法、惰性气体冷凝法等制备方法。

5纳米材料常用的表征方法纳米材料的性能及应用主要是由其化学组成和结构所决定的,因此,对纳米材料在纳米尺度、原子尺度的表征是非常重要的。目前纳米材料的表征方法非常的多,并且经常需要多种表征技术的相结合,才能得到更为可靠的信息,这就大大推动了纳米材料科学的发展。现如今对纳米材料的测试主要包括下面几个方面:纳米材料的化学成分;纳米材料的物理指标(粒径大小、粒径分布、粒子形貌、物相、晶体结构等);纳米粒子表面分析等。这些分析的结果通常也叫做材料的表征。

5.1化学成分的表征

化学成分是决定纳米粒子性能的最主要因素。目前主要的仪器分析法主要是利用各种化学成分的特征谱线进行研究。例如:可以利用X射线荧光分析(XRF)、电子探针微区分析法(EPMA)对材料的整体及部分区域的化学组成进行测定;利用X射线光电子能谱法(XPS)对纳米材料的表面化学组成、各元素比例及原子价态等;利用原子发射光谱(AES)、原子吸收光谱(AAS)对纳米材料的化学成分进行定量、定性的分析;另外,还可以使用扫描电子显微镜(SEM)探测收集样品表面发射出的特征X射线进行元素分析,同时也可以利用吸收电子信号、二次电子、背散射电子等来观察样品的表面形貌。

5.2物理指标(粒径大小、粒径分布、粒子形貌、物相、晶体结构等)的表征射线衍射

5.2.1X射线衍射(XRD)

X射线衍射法是是目前研究纳米材料比较常用的方法,它可以根据特征峰的位置来鉴定样品的物相。另外,由XRD谱图,再利用谢乐(Scherrer)公式,根据衍射峰的半高宽和位置,可以计算出纳米材料的粒径。XRD 也可以用于纳米材料的物相与粒径的表征,因此在纳米材料的成分分析中具有非常广泛的应用。另外,XRD也是表征晶态的常用方法之一,对于简单的结构,根据其衍射图可以确定其晶胞中原子的位置、原子数及晶胞参数等。利用高分辨X射线衍射(HR-XRD)则可以得到晶胞内的元素比例、原子间距、尺寸和键长等结构的信息。

5.2.2透射电子显微镜(TEM)

TEM是目前作为纳米材料的主要表征方法之一,它可以给出纳米材料的粒径大小、粒径分布、粒子形貌等最直观的信息,通过选区电子衍射和HRTEM则能够进一步得到较准确的纳米材料的晶体结构信息。当把TEM与XRD相结合,SAXS(X射线小角度散射),特别是EXAFS(扩展X射线吸收精细结构谱)等技术能够更为有效的对纳米材料进行表征。

5.2.3扫描电子显微镜(SEM)

由于能够得到样品表面的高分辨率二维图像,因此SEM被广泛的应用于样品表面结构的观察鉴定。它是通过先将电子束聚焦于样品的表面,然后对样品进行逐点的扫描。当入射电子束对样品表面进行轰击时,由于电子束与样品间的相互作用,约1%的能量可以从样品中激发出多种信息(如:二次电子、背散射电子、俄歇电子、X透射电子、特征X射线等)。通过相对应的信息检测器对信息进行收集,就可以实现有选择性检测扫描电镜的图像。激光5.2.4散射法激光散射法是指采用激光作光源,在除入射方向以外,通过散射光强度、频移以及角度等从而得到离子的尺寸、重量、分布等相关信总的方法。

5.3表面分析

纳米粒子表面的表面分析方法很多,其中比较常见的有扫描探针显微技术、光谱分析法以及热分析法。5.3.1扫描探针显微技术(SPM)

扫描探针显微技术是以扫描險道电子显微镜(STM)、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)以及原子力显

微镜(AFM)等新型系列扫描探针显微镜为主要实验技术,应用探针与样品之间的不同的相互作用,在纳米量级、原子量级对材料表面的分子、原子的几何结构以及材料的物理、化学性质进行研究的技术。

5.3.2光谱分析法

各种结构的材料都具有自己的特征光谱,光谱分析法就是通过对特征光谱的检测,从而确定材料的结构及化学成分的分析方法。紫外-可见光谱(UV-Vis)、红外及拉曼(Raman)光谱、傅立叶变换远红外光谱(FT-far-IR)、广延X射线吸收精细结构光谱(EXAFS)、穆斯堡尔(Mossbauer)谱学等是目前应用相对比较广泛的光谱法。

5.3.3热分析法

利用热学原理对物质的物理性质或化学成分进行分析的方法称为热分析法。另外,国际热分析协会(ICTA)对热分析法的定义为:在程序控温下,测量物质的物理性质随温度变化的一类方法。目前,应用于纳米材料的热分析法主要包括差热分析(DTA)、热重分析(TG)、示差扫描量热(DSC)三种,而这三种方法通常也是相互结合使用的。

6结束语

本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了资料的搜查,并做了大概的综述,目的是为了更好地加深对纳米材料的相关内容的理解以及为了让人们可以更加方便、清楚地了解到纳米材料的相关信息。

参考文献

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[3]林少雄几种纳米材料的制备、分析、表征及其应用研究兰州大学研究生学位论文

[4]陈书科纳米氢氧化铝制备及分散研究硕士学位论文广西大学硕十论文

[5]王凌云,童东绅,祝军兵,俞卫华,周春晖氢氧化铝的制备方法及应用浙江工业大学化学工程学院,浙江杭州310014精细化工

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纳米材料的制备与表征摘录(打印)

纳米材料的制备与表征方法摘录 作者姓名:彭家仁 单位:五邑大学广东江门 摘要:被誉为“21世纪最有前途的材料”的纳米材料同信息技术和生物技术一样已经成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的结构特性和性能、应用及制备方法与表征进行了综述。旨在为纳米材料的应用及其制备提供理论指导。 关键词:纳米材料;结构特性;特异效应;应用;制备方法 Methods of Preparation and Characterization of nano-materials Kevin Peng (WUYI University Jiangmen Guangdong) Abstract:The nano-materials known as“the most promising material in the21st century”along with the information technology and the biotechnology has become one of the three pillars of the socio-economic development and the strategic high ground in the21st century.Because of the special structure of the nano-materials,as well as its specific effects and performance,thenano-materials have the special purposes other than the conventional materials. In this paper,we search for the structural properties,specific effect and the performance and the Synthesis and Characterization of nano-materials.The purpose is to provide theoretical guidance for the application and preparation of nano-materials. Keywords:nano-materials;structural properties;specific effect;applications;preparation methods 0前言 从人类认识世界的精度来看,人类的文明发展进程可以划分为模糊时代(工业革命之前)、毫米时代(工业革命到20世纪初)、微米和纳米时代(20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初,德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料”的概念,随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料已引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1~100nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜),以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲,则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次,是交叉学科跨世纪的战略科技领域。

纳米材料的制备以及表征教学总结

纳米材料的制备以及表征 纳米科技作为21世纪的主导科学技术,将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命。纳米科技使我们人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米材料是目前材料科学研究的一个热点,纳米材料是纳米技术应用的基础。科学家们正致力于研究对纳米材料的组成、结构、形态、尺寸、排列等的控制,以制备符合各种预期功能的纳米材料。 低维纳米材料因其具有独特的物理化学特性以及在各个同领域的广泛应用 而受到国内外许多科研小组的广泛关注。钒氧化物纳米材料因为具有良好的催化性能、传感特性及电子传导特性而成为研究低维纳米材料物理化学现象的理想体系。尤其是对钒氧化合物纳米线、纳米带、纳米管的结构与性能的研究日益深入。另外,稀土正硼酸盐纳米材料因其独特的发光性能、电磁性能引起了广大科研小组的浓厚兴趣,是低维纳米材料领域研究的一个热点内容。 1.绪论 1.1纳米材料的发展概况 早在60年代,东京大学的久保良吾(Kubo)就提出了有名的“Kubo效应”, 认为金属超微粒子中的电子数较少,而不遵守Femri统计,并证实当结构单元变得比与其特性有关的临界长度还小时,其特性就会发生相应的变化。70年代末80年代初,随着干净的超微粒子的制取及研究,“Kubo效应”理论日趋完善, 为日后纳米技术理论研究打下了基础。人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究,描述金属微粒费密面附近电子能级状态的久保理论日趋完善,并且用量子尺寸效应成功地解释了超微粒子的某些特性[3]。最早使用纳米颗粒 制备三维块体试样的是德国萨尔兰大学教授H.Gletier,他于1984年用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面的纳米晶Pd、cu、Fe等[4],并从理论及性能上全面研究了相关材料的试样,提出了纳米晶材料的概念,成为纳米材料的创始者。1987年美国Argon实验室sigeel博士课题组用相同方法制备了纳米陶 瓷TIOZ多晶体。纳米技术在80年代末和90年代初得到了长足发展,并逐步成为一个纳米技术体系。1990年7月,第一届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩 召开,标志着纳米科学技术的正式诞生;正式提出了纳米材料学、纳米生物学、

二氧化锰纳米材料的制备与表征

二氧化锰纳米材料的制备与表征 [摘要] 研究以KMnO4为氧化剂用水热合成法制备MnO2不同纳米晶型的过程,并以X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)等方法对其进行了表征。结果表明,在水热反应过程中,反应时间改变会使MnO2晶型及其形貌发生转变。 [关键词] 二氧化锰晶型水热合成纳米结构α-MnO2 β-MnO2 1.引言 纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而越来越受到人们的重视。锰氧化合物不仅资源丰富、价格低廉、对环境无污染,而且具有多变的组成、复杂的结构、奇特的功能,因而在电子、电池、催化、高温超导、巨磁阻材料、陶瓷等领域显示出广阔的应用前景,所以其制备方法、结构表征、反应机理及应用的研究备受瞩目。其中MnO2作为一种重要的无机功能材料,在催化和电极材料等领域中已得到广泛的应用。 Xie 等证实空壳海胆结构的α-MnO2作为锂电池的阴极材料比实心海胆状α-MnO2和单分散α-MnO2 纳米棒更有效;Yang等报道氧化锰纳米棒对甲基蓝的氧化分解反应具有良好的催化效果;Ma等也证明了层状二氧化锰纳米带是充电锂电池理想的阴极材料。目前研究较多的是MnO2和锰酸盐,常用的制备方法有固相合成法、溶胶凝胶法、沉淀法等。 通常MnO2的活性随其所含结晶水的增加而增强,结晶水能促进质子在固体相中的扩散,因此γ- MnO2是各种晶型MnO2中活性最佳的。但在非水溶液中, MnO2 所含的结晶水反而会使它的活性下降。如在Li-MnO2电池正极材料中,以α-MnO2性能最差,含少量水分的γ-MnO2较差,无结晶水的β-MnO2较好,γβ-MnO2(混合)最好。所以γ-MnO2 在作为阴极材料之前,必须对其进行热处理,并且要除去水分,使晶型结构从γ-MnO2 转变为γβ-MnO2相(混合,以β相含量为65%~80%为最优)。再者,在固体二氧化锰有着较为复杂的晶型结构,如α、β、γ等5种主晶及30余种次晶,因此需要深入理解二氧化锰晶型转变机制。MnO2材料的微观形貌对于其应用有着重要的意义。 本实验以KMnO4和MnSO4·H2O为原料,采用水热合成法在高温反应釜条件下制备MnO2纳米晶型,并借助XRD、SEM、IR等技术对其进行了表征。 2.实验部分 2. 1 试剂与仪器 硫酸锰(分析纯),中国上海通亚精细化工厂;高锰酸钾(分析纯),宿州化学试剂厂;盐酸(分析纯),上海博河精细化学品有限公司。

纳米材料的表征方法

纳米材料的表征及其催化效果评价方式纳米材料的表征主要目的是确定纳米材料的一些物理化学特性如形貌、尺寸、粒径、等电点、化学组成、晶型结构、禁带宽度和吸光特性等。 纳米材料催化效果评价方式主要是在光照(紫外、可见光、红外光或者太阳光)条件下纳米材料对一些污染物质(甲基橙、罗丹明B、亚甲基蓝和Cr6+等)的降解或者对一些物质的转化(用于选择性的合成过程)。评价指标为污染物质的去除效率、物质的转化效率以及反应的一级动力学常数k的大小。

1 、结构表征 XRD,ED,FT-IR, Raman,DLS 2 、成份分析 AAS,ICP-AES,XPS,EDS 3 、形貌表征 TEM,SEM,AFM 4 、性质表征-光、电、磁、热、力等 … UV-Vis,PL,Photocurrent

1. TEM TEM为透射电子显微镜,分辨率为~,放大倍数为几万~百万倍,用于观察超微结构,即小于微米、光学显微镜下无法看清的结构。TEM是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器,一般纳米材料的文献中都会用到。 The morphologies of the samples were studied by a Shimadzu SSX-550 field-emission scanning electron microscopy (SEM) system, and a JEOL JEM-2010 transmission electron microscopy (TEM)[1]. 一般情况下,TEM还会装配High-Resolution TEM(高分辨率透射电子显微镜)、EDX(能量弥散X射线谱)和SAED(选区电子衍射)。High-Resolution TEM用于观察纳米材料的晶面参数,推断出纳米材料的晶型;EDX一般用于分析样品里面含有的元素,以及元素所占的比率;SAED用于实现晶体样品的形貌特征与晶体学性质的原位分析。

纳米材料的测试与表征

报告 课程名称纳米科学与技术专业班级电气1241 姓名张伟 学号32 电气与信息学院 和谐勤奋求是创新

纳米材料的测试与表征 摘要:介绍了纳米材料的特性及测试与表征。综合使用各种不同的分析和表征方法,可对纳米材料的结构和性能进行有效研究。 关键词:测试技术;表征方法;纳米材料 引言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性,被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中,具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米材料的化学组成及其结构是决定其性能和应用的关键因素,而要探讨纳米材料的结构与性能之间的关系,就必须对其在原子尺度和纳米尺度上进行表征。其重要的微观特征包括:晶粒尺寸及其分布和形貌、晶界及相界面的本质和形貌、晶体的完整性和晶间缺陷的性质、跨晶粒和跨晶界的成分分布、微晶及晶界中杂质的剖析等。如果是层状纳米结构,则要表征的重要特征还有:界面的厚度和凝聚力、跨面的成分分布、缺陷的性质等。总之,通过对纳米材料的结构特性的研究,可为解释材料结构与性能的关系提供实验依据。 纳米材料尺度的测量包括:纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构的测量;纳米线、纳米管的直径、长度以及端面结构的测量和纳米薄膜厚度、纳米尺度的多层膜的层厚度的测量等。适合纳米材料尺度测量与性能表征的仪器主要有:电子显微镜、场离子显微镜、扫描探测显微镜Χ光衍射仪和激光粒径仪等。 紫外和可见光谱是纳米材料谱学分析的基本手段,分为吸收光谱、发射光谱和荧光光谱。吸收光谱主要用于监测胶体纳米微粒形成过程;发射光谱主要用于对纳米半导体发光性质的表征,荧光光谱则主要用来对纳米材料特别是纳米发光材料的荧光性质进行表征。红外和喇曼光谱的强度分别依赖于振动分子的偶极矩变化和极化率的变化,因而,可用于揭示纳米材料中的空位、间隙原子、位错、晶界和相界等方面的信息。纳米材料中的晶界结构比较复杂,与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及热处理过程等因素均有密切的关系。喇曼频移与物质分子的转动和振动能级有关,不同的物质产生不同的喇曼频移。喇曼频率特征可提供有价值的结构信息,利用喇曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析和定性鉴定等。喇曼光谱具有灵敏度高、不破坏样品、方便快速等优点,是研究纳米材料,特别是低维纳米材料的首选方法。 目前对纳米微观结构的分析表征手段主要有扫描探针显微技术,它包括扫描隧道电子显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等。利用探针与样品的不同相互作用,在纳米级至原子级水平上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质。例如用STM不仅可以观察到纳米材料表面的原子或电子结构,还可以观察表面存在的原子台阶、平台、坑、丘等结构缺陷。高分辨电子显微镜用来观察位错、孪晶、晶界、位错网络等缺陷,核磁共振技术可以用来研究氧缺位的分布、原子的配位情况、运动过程以及电子密度的变化;用核磁共振技术可以研究未成键电子数、悬挂键的类型、数量以及键的结构特征等。 测试技术的发展 纳米测试技术的研究大致分为三个方面:一是创造新的纳米测量技术,建立新理论、新方法;二是对现有纳米测量技术进行改造、升级、完善,使它们能适应纳米测量的需要;三是多种不同的纳米测量技术有机结合、取长补短,使之能适应纳米科学技术研究的需要。纳米测试技术是多种技术的综合,如何将测试技术与控制技术相融合,将探测、定位、测量、控制、信号处理等系统结合在一起构成一个大系统,开发、设计、制造出实用新型的纳米测量系统,是亟待解决的问题,也是今后发展的方向。随着纳米材料科学的发展和纳米制备技术的进步,将需要更新的测试技术和手段来表征、评价纳米粒子的粒径、形貌、分散和团聚

TiO2纳米材料的制备与表征

TiO 2纳米材料的制备与表征 医药化工学院 化学教育专业 学生:xxx 指导老师:xxx 1前言 纳米TiO 2在各个领域中的应用,如:制造氧敏元件、电子陶瓷材料、防晒剂、防紫外线透明塑料薄膜、农用塑料薄膜、防紫外纤维和抗菌纤维、抗菌涂料、抗菌釉面砖、效应颜料、光催化剂和催化剂载体、超双亲性玻璃等。这些材料在电子工业、涂料工业、轿车工业、建筑工业、纺织工业、食品包装、化妆品、环境保护、废水处理等领域中有着广泛的用途。 2实验部分 2.1 实验目的 了解TiO2纳米材料制备的方法;掌握用溶胶-凝胶法制备TiO2纳米材料的原理和过程;掌握纳米材料的标准手段和分析方法 2.2 实验原理 水解缩聚陈化涂层、成纤、成型干燥热处理金属醇盐 溶剂、水 抑制剂溶胶湿凝胶干凝胶 成品 Ti(OC4H9)4 + H2O ----> TiO2 + C4H9OH 实验装置图 2.3 实验仪器和试剂 2.3.1 主要仪器 常用常压化学合成仪器一套,电磁搅拌器,烘箱,马弗炉,粒度分布测定仪,比表面仪,差热-热重分析仪

2.3.2实验试剂 钛酸正丁酯,无水乙醇,乙酰丙酮,强酸 2.4 实验方法 2.4.1溶胶-凝胶法制备TiO 2 (1)水浴加热集热式恒温磁力搅拌器至65℃左右,安装三颈烧瓶装置、温度计和滴液漏斗,量取60ml的无水乙醇置于三颈烧瓶中。 (2)将30ml的钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)装入滴液漏斗,自滴液漏斗缓慢滴加钛酸四丁酯(Ti(OC4H9)4)至装有无水乙醇三颈烧瓶中,保持反应温度为65℃左右,约0.5h滴加完毕。(3)滴加完毕后,将3ml乙酰丙酮装入入滴液漏斗,自滴液漏斗缓慢滴加乙酰丙酮至三颈烧瓶中,滴加完毕。再搅拌0.5小时。 (4)将1.1ml硝酸、9ml去离子水、32ml的无水乙醇预先混合,装入滴液漏斗,再缓慢加入到三颈烧瓶中,0.5小时滴加完毕,再搅拌3小时,得到二氧化钛溶胶,陈化12小时。(5)制备的二氧化钛溶胶至于60℃的真空干燥箱中干燥24小时,得到二氧化钛凝胶。(6)将制备的凝胶至于坩埚中,按照一定的升温曲线,600℃烧成保温2小时,得到二氧化钛粉末。 3.结果与讨论 mTiO2 =7.4g 颜色灰色 产率为 7.4/6.8=108.82% 4结束语 本实验溶胶-凝胶法制备TiO2通常以钛醇盐Ti(OR)4 为原料,合成工艺为:钛醇盐溶于溶剂中形成均相溶液,逐滴加入水后,钛醇盐发生水解反应,同时发生失水和失醇缩聚反应,生成1 nm 左右粒子并形成溶胶,经陈化,溶胶形成三维网络而成凝胶,凝胶在恒温箱中加热以去除残余水份和有机溶剂,得到干凝胶,经研磨后煅烧,除去吸附的羟基和烷基团以及物理吸附的有机溶剂和水,得到纳米TiO2 粉体。 通过两人一组实验,在实验过程中,培养了两人的合作精神。在指导老师的细心指导下,实验顺利进行,完成。在实验过程中,巩固了实验操作的基本技能,复习了课堂上的理论知识。实验过程中收获很大,感谢指导老师的悉心指导,同时也感谢同学们,因为有他们的合作,实验遇到的困难才一一得以解决,实验才顺利进行。 参考文献: 1) 北京师范大学, 等. 无机化学实验[M ]. 北京: 高等教育出版社, 1991.

纳米ZnO的制备及表征

化学化工学院材料化学专业实验报告实验实验名称:纳米ZnO的制备及表征. 年级:2015级材料化学日期:2017/09/20 姓名:汪钰博学号:222015316210016同组人:向泽灵 一、预习部分 1.1氧化锌的结构 氧化锌(ZnO)晶体是纤锌矿结构,属六方晶系,为极性晶体。氧化锌晶体结构中,Zn原子按六方紧密堆积排列,每个Zn原子周围有4个氧原子,构成Zn-O4配位四面体结构,四面体的面与正极面C(00001)平行,四面体的顶角正对向负极面(0001),晶格常数a=342pm, c=519pm,密度为5.6g/cm3,熔点为2070K,室温下的禁带宽度为3.37eV. 如图1-1、图1-2所示: 图1-1 ZnO晶体结构在C (00001)面的投影 图1-2 ZnO纤锌矿晶格图

2 氧化锌的性能和应用 纳米氧化锌(ZnO)粒径介于1- 100nm 之间, 由于粒子尺寸小, 比表面积大, 因而, 纳米ZnO 表现出许多特殊的性质如无毒、非迁移性、荧光性、压电性、能吸收和散射紫外线能力等, 利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、杀菌、图象记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。同时氧化锌材料还被广泛地应用于化工、信息、纺织、医药行业。纳米氧化锌的制备是所有研究的基础。合成纳米氧化锌的方法很多, 一般可分为固相法、气相法和液相法。本实验采用共沉淀和成核/生长隔离技术制备纳米氧化锌粉。 3 氧化锌纳米材料的制备原理 不同方法制备的ZnO晶形不同,如: 3.1共沉淀和成核/生长隔离法 借助沉淀剂使目标离子从溶液中定量析出是材料制备领域液相法的重要技术。常规共沉淀制备是将盐溶液与碱溶液直接混合并通过搅拌的方式实现,由于混合不充分,反应界面小、存在浓度梯度、反应速度和扩散速度慢,先沉淀的粒子上形成新沉淀粒子,新旧粒子的同时存在,导致粒子尺寸分布极不均匀。使合成材料的粒子尺寸和均分散性能受到很大影响,其

物理在纳米材料测试表征中的应用讲解

物理在纳米材料测试表征中的应用 摘要:介绍了纳米材料的特性及一般的测试表征技术,主要从纳米材料的形貌分析,成分分析以及结构分析入手,介绍了扫描电子显微镜,透射电子显微镜,X 射线衍射,X射线荧光光谱分析,能谱分析等分析测试技术的工作原理及其在纳米粒子结构和性能分析上的应用和进展。 关键词:纳米材料;测试技术;表征方法 Abstract:The characterization and testing of nano-materials was described. Depend on the morphology, component and structure of nano-materials, the mechanism and applications of scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), X-ray fluorescence spectroscopy, energy dispersive x-ray spectroscope (EDS) technology was presented. Further, the application and development of those technologies were described. Keyword: nano-materials; testing technology; characterization 0. 前言 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一,它不仅是研究的对象,而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段[ 1 ]。随着纳米材料科学技术的发展,要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念,提高其灵敏度、准确度和可靠性,从中提取更多信息,提高测试质量、效率和经济性[ 2 ]。纳米科学和技术是在纳米尺度上(0. 1~100nm)研究物质(包括原子、分子)的特性及其相互作用, 并且对这些特性加以利用的多学科的高科技。纳米科技是未来高技的基础,而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此,纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义和作用[ 3 ]。 1. 纳米材料的形貌分析 1.1 形貌分析的重要性

材料的表征方法总结

2.3.1 X 一射线衍射物相分析 粉末X 射线衍射法,除了用于对固体样品进行物相分析外,还可用来测定晶体 结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。X 射线衍射分析用于物相分析 的原理是:由各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d 以及它们的相对强度Ilh 是物 质的固有特征。而每种物质都有特定的晶胞尺寸和晶体结构,这些又都与衍射强 度和衍射角有着对应关系,因此,可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。此外,依 据XRD 衍射图,利用Schercr 公式: θ λθβcos )2(L K = 式中p 为衍射峰的半高宽所对应的弧度值;K 为形态常数,可取0.94或0.89;为X 射线波长,当使用铜靶时,又1.54187 A; L 为粒度大小或一致衍射晶畴大小;e 为 布拉格衍射角。用衍射峰的半高宽FWHM 和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径, 由X 一射线衍射法测定的是粒子的晶粒度。样品的X 一射线衍射物相分析采用日本理 学D/max-rA 型X 射线粉末衍射仪,实验采用CuKa 1靶,石墨单色器,X 射线管电压 20 kV ,电流40 mA ,扫描速度0.01 0 (2θ) /4 s ,大角衍射扫描范围5 0-80 0,小角衍 射扫描范围0 0-5 0o 2.3.2热分析表征 热分析技术应用于固体催化剂方面的研究,主要是利用热分析跟踪氧化物制 备过程中的重量变化、热变化和状态变化。本论文采用的热分析技术是在氧化物 分析中常用的示差扫描热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和热重法 ( Thermogravimetry, TG ),简称为DSC-TG 法。采用STA-449C 型综合热分析仪(德 国耐驰)进行热分析,N2保护器。升温速率为10 0C.1 min - . 2.3.3扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜有原子量级的高分辨率,其平行和垂直于表面方向的分辨率 分别为0.1 nm 和0.01nm ,即能够分辨出单个原子,因此可直接观察晶体表面的近原 子像;其次是能得到表面的三维图像,可用于测量具有周期性或不具备周期性的 表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子,按照人们的意愿排布分子 和原子,以及实现对表面进行纳米尺度的微加工,同时,在测量样品表面形貌时, 可以得到表面的扫描隧道谱,用以研究表面电子结构。测试样品的制备:将所制 的纳米Fe203粉末分散在乙醇溶液中,超声分散30 min 得红色悬浊液,用滴管吸取 悬浊液滴在微栅膜上,干燥,在离子溅射仪上喷金处理。采用JSM-6700E 场发射扫 描电子显微镜旧本理学),JSM-6700E 场发射扫描电子显微镜分析样品形貌和粒 径,加速电压为5.0 kV o 2.3.4透射电子显微镜 透射电镜可用于观测微粒的尺寸、形态、粒径大小、分布状况、粒径分布范 围等,并用统计平均方法计算粒径,一般的电镜观察的是产物粒子的颗粒度而不 是晶粒度。高分辨电子显微镜(HRTEM)可直接观察微晶结构,尤其是为界面原 子结构分析提供了有效手段,它可以观察到微小颗粒的固体外观,根据晶体形貌 和相应的衍射花样、高分辨像可以研究晶体的生长方向。测试样品的制备同SEM 样品。本研究采用 JEM-3010E 高分辨透射电子显微镜(日本理学)分析晶体结构, 加速电压为200 kV o 2.3.5 X 射线能量弥散谱仪 每一种元素都有它自己的特征X 射线,根据特征X 射线的波长和强度就能得

纳米材料AlOOH的合成与表征

纳米材料AlO(OH)的制备与表征 刘琦媛吉大物理学院2011级光信六班32110635 摘要:利用超声水合合成法使电爆炸法制成的纳米Al粉和去离子水反应制备纳米纤维AlO(OH)粉末,然后用投射电镜观察其结构样貌,并用氮吸附法测定其BET比表面。 关键词:超声水合合成法,一维纳米纤维,AlO(OH),氮吸附法,BET比表面 1.引言 纳米材料,是科学界中正冉冉升起的一颗新星。自20世纪70年代初发现和应用纳米效应以来。人们对于它的研究,越发深入:贯穿物理、化学、生物、材料等多个层次。因为各种性质的特殊,纳米材料的作用越来越大。随着纳米技术的发展,它在人们生产、生活中的地位终将无可取代。 从广义上讲,纳米材料是指在三围空间尺寸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,纳米材料大致可分为量子点,量子线和量子阱。从狭义上讲,则只要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体都可称为纳米材料。纳米材料尺寸进入纳米量级(1~100nm)时,其本身具有的量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应因而展现出许多特有性质。在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料方面有广阔的应用前景。

本实验研究的是一维纳米纤维AlO(OH)的制备与表征,这种纳米纤维材料纯度高,比表面积大,活性很高,吸附能力强且制备工艺简单,是很有发展前景的一种净水材料。 2. 实验 2.1实验试剂与仪器 试剂:1.电爆炸法制成的纳米铝粉 2.去离子水 仪器:1.电子天平 2.超声波清洗器 3.电热鼓风干燥箱 4.ZHP-100智能恒温震荡培养箱 5.透射电镜(TEM) 6.比表面及孔径分析仪(BET) 2.2纳米纤维的制备 本实验采用超声水合合成法制备一维纳米纤维AlO(OH)。 实验中使用的原料为电爆炸法所制成的纳米铝粉和去离子水。电爆炸法是利用高密度脉冲电流通过导体金属的瞬间,导体发生爆炸性破坏爆炸的产物——金属蒸汽在导体周围高速飞溅,在分散过程中爆炸产物被冷激而形成高弥散粉体。 实验过程:将0.8g纳米Al粉和200ml去离子水放入烧杯混合,放在超声波清洗器里进行反应,反应时间为120min,温度为80℃。 反应方程为: AlN+H2O=AlO(OH)+H2↑+NH3↑ 反应结束后关闭超声波清洗器,将烧杯取出放在温度为80℃的恒温水浴箱里6小时。之后过滤,将得到的物质放进电热鼓风干燥箱进行烘干。烘干条件为温度60℃,时长6小时。取出烘干物即得到纳米

纳米材料的表征与测试技术

纳米材料的表征与测试技术 作者:马翔(08级理学院材料化学系学生081132班) 摘要 虽然许多研究人员已经涉足纳米技术这个领域的工作,但还有很多研究人员以及相关产业的从业人员刘一纳米材料还不是很熟悉,尤其是如何分析和表征纳米材料,如何获得纳米材料的一此特征信息。该文对纳米材料的一此常用分析和表征技术做了概括。主要从纳米材料的成分分析、形貌分析、粒度分析、结构分析以及表面界面分析等几个方而进行了简要阐述。 关键词:纳米材料;表征;测试技术 1纳米材料的表征方法 纳米材料的表征主要包括: 1化学成分; 2纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构; 3纳米粒子的表面分析。 1. 1化学成分表征 化学成分是决定纳米粒子及其制品性能的最基本因素。常用的仪器分析法主要是利用各种化学成分的特征谱线,如采用X射线荧光分析和电子探针微区分析法可对纳米材料的整体及微区的化学组成进行测定。而且还可以与扫描电子显微镜SEM配合,使之既能利用探测从样品上发出的特征X 射线来进行元素分析,又可以利用二次电子、背散射电子、吸收电子信号等观察样品的形貌图像。即可以根据扫描图像边观察边分析成分,把样品的形貌和所对应微区的成分有机的联系起来,进一步揭示图像的本质。此外,还可以采用原子l发射光谱AES、原子吸收光谱AAS对纳米材料的化学成分进行定性、定量分析;采用X射线光电子能谱法XPS可分析纳米材料的表一面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能态分布等。 1.2纳米徽粒的衰面分析 (1)扫描探针显徽技术SPM 扫描探针显徽技术SPM以扫描隧道电子显微镜STM ,原子力显徽镜AFM、扫描力显微镜SFM 、弹道电子发射显徽镜BEEM、扫描近场光学显微镜SNOM等新型系列扫描探针显徽镜为主要实验技术,利用探针与样品的不同相互作用,在纳米级乃至原子级的水平 上研究物质表面的原子和分子的几何结构及与电子行为有关的物理、化学性质,在纳米尺度上研究物质的特性。 (2)谱分析法

材料的表征方法总结

材料的表征方法 2.3.1 X 一射线衍射物相分析 粉末X 射线衍射法,除了用于对固体样品进行物相分析外,还可用来测定晶体 结构的晶胞参数、点阵型式及简单结构的原子坐标。X 射线衍射分析用于物相分析 的原理是:由各衍射峰的角度位置所确定的晶面间距d 以及它们的相对强度Ilh 是物 质的固有特征。而每种物质都有特定的晶胞尺寸和晶体结构,这些又都与衍射强 度和衍射角有着对应关系,因此,可以根据衍射数据来鉴别晶体结构。此外,依 据XRD 衍射图,利用Schercr 公式: θ λθβc o s )2(L K = 式中p 为衍射峰的半高宽所对应的弧度值;K 为形态常数,可取0.94或0.89;为X 射线波长,当使用铜靶时,又1.54187 A; L 为粒度大小或一致衍射晶畴大小;e 为 布拉格衍射角。用衍射峰的半高宽FWHM 和位置(2a)可以计算纳米粒子的粒径, 由X 一射线衍射法测定的是粒子的晶粒度。样品的X 一射线衍射物相分析采用日本理 学D/max-rA 型X 射线粉末衍射仪,实验采用CuKa 1靶,石墨单色器,X 射线管电压 20 kV ,电流40 mA ,扫描速度0.01 0 (2θ) /4 s ,大角衍射扫描范围5 0-80 0,小角衍 射扫描范围0 0-5 0o 2.3.2热分析表征 热分析技术应用于固体催化剂方面的研究,主要是利用热分析跟踪氧化物制 备过程中的重量变化、热变化和状态变化。本论文采用的热分析技术是在氧化物 分析中常用的示差扫描热法(Differential Scanning Calorimetry, DSC)和热重法 ( Thermogravimetry, TG ),简称为DSC-TG 法。采用STA-449C 型综合热分析仪(德 国耐驰)进行热分析,N2保护器。升温速率为10 0C.1 min - . 2.3.3扫描隧道显微镜 扫描隧道显微镜有原子量级的高分辨率,其平行和垂直于表面方向的分辨率 分别为0.1 nm 和0.01nm ,即能够分辨出单个原子,因此可直接观察晶体表面的近原 子像;其次是能得到表面的三维图像,可用于测量具有周期性或不具备周期性的 表面结构。通过探针可以操纵和移动单个分子或原子,按照人们的意愿排布分子 和原子,以及实现对表面进行纳米尺度的微加工,同时,在测量样品表面形貌时, 可以得到表面的扫描隧道谱,用以研究表面电子结构。测试样品的制备:将所制 的纳米Fe203粉末分散在乙醇溶液中,超声分散30 min 得红色悬浊液,用滴管吸取 悬浊液滴在微栅膜上,干燥,在离子溅射仪上喷金处理。采用JSM-6700E 场发射扫 描电子显微镜旧本理学),JSM-6700E 场发射扫描电子显微镜分析样品形貌和粒 径,加速电压为5.0 kV o 2.3.4透射电子显微镜 透射电镜可用于观测微粒的尺寸、形态、粒径大小、分布状况、粒径分布范 围等,并用统计平均方法计算粒径,一般的电镜观察的是产物粒子的颗粒度而不 是晶粒度。高分辨电子显微镜(HRTEM)可直接观察微晶结构,尤其是为界面原 子结构分析提供了有效手段,它可以观察到微小颗粒的固体外观,根据晶体形貌 和相应的衍射花样、高分辨像可以研究晶体的生长方向。测试样品的制备同SEM 样品。本研究采用 JEM-3010E 高分辨透射电子显微镜(日本理学)分析晶体结构, 加速电压为200 kV o

纳米材料制备及其表征

MXene的制备及其相关性能研究 1.1 MXene研究背景及现状 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的具有二维蜂窝状晶体结构的单原子层晶体,具有相当优异的力学、电子、热及磁学性能,而且被视为当今在纳米技术这个领域很有前景的材料[1]。石墨烯是二维晶体这一类的其中一种。二维晶体是指仅有单个或者多个原子厚度的二维材料,这种材料因为其绝对的二维结构而具备独有的特性与功能。石墨烯是最为典型的二维晶体结构,具有优异的性能,不过石墨烯却不是二维原子晶体材料的尽头,一些具有特殊性能并且包含其它元素的二维晶体成为当今的研究焦点。二维晶体材料可分为石墨烯基和类石墨烯这两大类材料。石墨烯基材料[2]是指包括石墨烯在内的二维原子晶体或化合物,例如单原子层的六方BN、MoS2、WS2等[3]。大部分的二维晶体材料是通过化学刻蚀或机械剥离等方法剥离层间结合力较弱(范德华力)的三维层状前驱物得到的,而剥离层间结合力较强的三维层状化合物似乎是不可能的。但是,2011 年Naguib和Barsoum等利用氢氟酸(HF)选择性刻蚀掉三维层状化合物Ti3AlC2中的Al原子层得到具有类石墨烯结构的二维原子晶体化Ti3C2材料,2012年他们采用同样的方法刻蚀若干与Ti3AlC2具有类似结构的陶瓷材料MAX相,成功的制备出了Ti2C、Ta4C3( Ti0.5Nb0.5)2C(V0.5Cr0.5)3C2、Ti3CN等相应的二维过渡金属碳化物或碳氮化物[4]。这种具有类石墨烯结构的新型二维晶体化合物被命名为MXene。其化学式为M n + 1X n,n =1、2、3,M为早期过渡金属元素,X为碳或氮元素[5]。MXene的母体材料MAX相是一类化学式为M n + 1AX n的三元层状化合物,其中M、X、n与上述一样,A为主族元素。目前已知MAX相大约有60多种,Ti3AlC2是其代表性化合物[6]。由于MAX相数量众多,且包含多种元素,所以通过刻蚀MAX相可以制备出大量具有特殊性能的MXene,这对于二维晶体材料的制 1.2 MXene的制备 制备MXene的前驱体是MAX相。MAX相是一类集陶瓷和金属的优良特性于一身的三元层状材料,既像陶瓷一样,具有高弹性模量、低密度、良好的热稳定性和抗氧化性能;又像金属一样,具备优良的导热和导电性能,以及较低的硬度,可以像金属和石墨一样进行机械加工,并在高温下具有良好的塑性,及自润滑性能。研究表明,MAX的晶体结构中,X原子填充于M原子形成的八面体空

纳米材料的概述、制备及其结构表征

20卷6期 结 构 化 学 (JIEGOU HUAXUE ) Vol.20, No.6 2001.11 Chinese J. Struct. Chem. 425~438 [综合评述] 纳米材料的概述、制备及其结构表征 蔡元霸① 梁玉仓 (结构化学国家重点实验室,中国科学院福建物质结构研究所, 福州350002) 纳米材料在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重视。本文从以下3个方面加以论述。 一、纳米材料的概述:从分子识别、分子自组装、吸附分子与基底的相互关系、分子操作与分子器件的构筑,并通过具体的例证加以阐述,包括在STM 操作下单分子反应;有机小分子在半导体表面的自指导生长;多肽-半导体表面特异性选择结合;生物分子/无机纳米组装体;光驱动多组分三维结构组装体;DNA 分子机器。 二、纳米材料的若干制备方法和结构表征方法:制备方法包括:物理的蒸发冷凝法,分子束外延法(MBE ),机械球磨法,扫描探针显微镜法(SPM )。化学的气相沉淀法(VCD ),液相沉淀法,溶胶-凝胶法(Sol-gel ),L-B 膜法,自组装单分子层和表面图案化法,水热/溶剂热法,喷雾热解法,样板合成法或化学环境限制法及自组装法。 三、若干结构表征方法包括:X-射线法(XRD ),扩展X 射线精细结构吸收谱(EXAFS ),X-射线光电子能谱(XPS ),光谱法,扫描隧道显微镜/原子力显微镜(STM/AFM )和有机质谱法(OMS )。 关键词:纳米制备,自组装,结构表征, 纳米器件 2001-03-14收到; 2001-10-16接受 ①通讯联系人 1 纳米材料概述: 所谓纳米材料,指的是具有纳米量级(1~100 nm )的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应是德国科学家Gleiter 等 [1] 于1984年首用惰性 气体凝聚法成功地制备了铁纳米微粒,并以它作为结构单元制成纳米块体材料。由于纳米材料具有显然不同于体材料和单个分子的独特性能——表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等及它在电子、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要应用而引起人们的高度重 视[2] 。 1988年美国科学家 Cram [3] 和法国科学 家 Lehn [4] 在诺贝尔领奖会上发表了演说,他 们分别以《分子的主体·客体和它们复合物的设计》和《超分子化学范围和展望——分子、超分子和分子器件》为题,论述了他们在超分子化学研究领域所取得成就和展望。1990年 Lehn [5] 又发表了《超分子化学展望——从分子识别走向分子信息处理和自组织作用》。他们指出生物体内反应、输运和调节的第一步就是分子识别。它定义为底物被给定受体选择并结合而形成超分子结构的过程。这是主/客体分子之间有选择、有目标的结合;是结构明确的分子间相互作用模式。这种结合还要求受体分子与所要键合的底物分子在立体空间结构和电荷特征上的互补性以及为了适合其功能上要求所必须遵循的刚性和柔性平衡原则。因为受体结构稳定性需要刚性分子结构,但识别过程中的变换、调控、协同及变构则需要一定的柔性。这对生物体系尤为重要。从分子识别引导

氧化铜纳米材料的制备和表征

氧化铜纳米材料的制备和表征 一、实验目的 1.了解纳米材料的结构和特性,熟悉纳米CuO的性能和应用 2.掌握回流法和化学浴法制备CuO纳米晶。 3.了解X-衍射分析仪器的构造,学会用Scherrer公式计算纳米晶的粒径。 二、实验原理 1. 纳米材料的结构和特性 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小,界面占用相当大的成分,这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质,如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等。 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的现象和纳米半导体微粒存在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能级,能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 小尺寸效应:当物质的体积减小时,将会出现两种情形:一种是物质本身的性质不发生变化,而只有那些与体积密切相关的性质发生变化,如半导体电子自由程变小,磁体的磁区变小等;另一种是物质本身的性质也发生了变化,当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化,这就是纳米材料的体积效应,亦即小尺寸效应。 表面效应:表面效应是指纳米晶粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着纳米晶粒的减小,表面积急剧増大,表面原子百分数迅速增加。由于表面原子所处的环境与内部原子不同,它们周围缺少相邻的原子,存在许多悬空键,具有不饱和性,易与其它原子相结合而稳定下来,所以,晶粒尺寸的减少,其表面积、表面能及表面结合能都迅速増大,致使它表现出很高的化学活性,极不稳定,例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧。 宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来, 人们发现一些宏观量,例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统中的势垒并产生变化,称为宏观量子隧道效应。利用这个概念可以定性解释超细镍粉在低温下继续保持超顺磁性。介电限域效应:当在半导体纳米材料表面修饰某种介电常数较小的介质时,相对裸露半导体材料周围的其他介质而言,被表面修饰的纳米材料中电荷载体产生的电力线更容易穿透这层介电常数较小的包覆介质。因此,屏蔽效应减弱,同时带电粒子间的库仑作用力增强,结果增强了激子的结合能和振子强度,这就称为介电限域效应。 由于纳米微粒具有上述几种基本的物理效应,使得它们在磁、光、电和对周围环境(温、气氛、光、湿度等)敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此,

纳米材料的合成与表征

实验九 纳米材料的合成与表征 前言 纳米材料以其不同于一般材料的物理、化学性质而受到广泛关注,相关研究非常活跃。纳米材料是指由极细晶粒组成、尺寸在纳米量级(1~100nm )的固体材料。由于这种材料的尺度处在原子簇和宏观物体的交接区域,故而具有表面效应,并产生奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学等特性,实现直接为人类按需要排布原子、制造出性能独特的产品的理想,从而使其在国防、电子、化工、冶金、航空、轻工、医药、生物、核技术等领域中具有重要的应用价值。 纳米科学技术被认为是21世纪的新科技,它可以使人们在原子、分子尺度上研究物质变化的行为和规律,深化人们对客观世界的认识。因此,纳米科学技术的出现及其不断深入发展无疑是对现代科学的重大突破,必将深刻影响国民经济未来的发展。在这一领域中,纳米材料的制备技术、分析和表征手段、性能测试及实际应用等全方位的综合研究,已日益引起人们的极大兴趣。 纳米材料的合成方法总体上可分为气相法、液相法和固相法。气相法还可分为气体冷凝法、活性氢-熔融金属反应法、溅射法和化学气相沉积法等。液相反应也可进一步分为溶胶-凝胶法、沉淀法、喷雾法和水热法等。固相法主要有机械研磨法。上述方法各有优缺点。 纳米材料常见的表征手段如下:利用透射电子显微镜(TEM)可以观察到纳米粒子的大小及形貌。粒子的比表面可由BET 法测得,利用测得的数据还可以计算出粒子的孔径,利用差热热重方法可以测得粒子的含水量。 实验部分 一、液相共沉淀法制备纳米锌铝水滑石 采用共沉淀法制备Zn/Al 投料摩尔比为3.0的Zn-Al-CO 3 LDHs 。称取ZnSO 4·7H 2O 31.1g 和Al 2(SO 4)3·18H 2O 12.0g 加入到135ml 去离子水中配成盐溶液;另称取NaOH 10.4g 和Na 2CO 3 7.6g 加入到135ml 去离子水中配成碱溶液。将两种溶液在充分搅拌下,同时滴加到108ml 的去离子水中,控制溶液pH =8。然后回流晶化6小时,抽滤,水洗,将所得滤饼按2.0%(重量百分比)的十二烷基苯磺酸钠(DBS ) 进行改性,70℃干燥24h 。保留好样品进行物相分析和粒径的测定。 二、XRD 表征 1.让2θ值从70o扫描至3o,测定所得纳米样品的XRD 图谱。并进行物相分析。 2.数据处理 纳米粒子的粒径可由Scherrer(谢乐)公式求出: θ βλcos 89.0?=hkl hkl D 对纳米锌铝水滑石粉末,测量样品的全部衍射峰的半高宽,根据Scherrer 公式求其平均粒径。 三、纳米晶形貌分析 取少量样品,拍摄其透射电镜照片,将所得结果与XRD 法相比较。 思考题

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