（化学工程与技术专业论文）生物有机分子辅助液相合成纳米材料及其性质研究.pdf

b i o l o g i c a l o r g a n i cm o l e c u l e sa s s i s t e dl i q u i d p h a s es y n t h e s i sa n d p r o p e r t l e so fn a n o - m a t e r i a l s b y w us h u i s h e n g b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 5 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f d o c t o ro fe n g i n e e r i n g c h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dt e c h n o l o g y i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ry i ns h u a n g f e n g m a y2 0 ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 位、kl l 芏 1 日期：山1 1 年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密f r o ( 请在以上相应方框内打“”) ，d f 月月 6 e 年年 州叫划勿 期期 日 日 生胡阢 、爻 水银 缸磊 名名签签 者师作导 博 ：学位论文 摘要 纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术 被公认为是2 1 世纪最具有前途的科研领域。目前合成纳米材料的方法虽然很多， 但是获得尺寸可控、颗粒均匀的纳米材料仍然存在一定的困难。探索发展纳米材 料设计与合成的新途径、新方法，实现对纳米材料的尺寸大小、粒径分布以及形 貌和表面修饰的可控合成及其物理化学性质研究仍然是纳米材料研究领域的一个 重要课题。本论文采用不同合成方法成功合成了几种具有可控形貌的纳米结构材 料。通过调节反应物的浓度、反应时间、反应温度以及反应物比例等实验参数， 获得了氧化物( s n 0 2 ) 、两种碳酸盐( b a c 0 3 、s r c 0 3 ) 和铁酸镍石墨烯复合物等纳米 材料，并分别研究了他们的相关性质。利用x 射线衍射( x r d ) 、红外光谱( f t i r ) 、 拉曼光谱( r a m a n ) 、扫描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 高分辨透射显微镜( h r t e m ) 、 x 射线光电子能谱( x p s ) 以及紫外可见吸收光谱( u v v i s ) 等多种分析测试手段对 合成材料的形貌、结构、组份和性质进行了表征分析，主要研究内容和创新性成 果包括以下几个部分： l 、以生物分子l 赖氨酸作为碱源和螯合剂，通过水热合成方法制备了系列 二氧化锡( s n 0 2 ) 纳米晶，以罗丹明b 紫外光降解反应作为模型反应考察了s n 0 2 的光催化性能。研究结果表明，采用这种方法所得到的s n 0 2 纳米晶的平均粒径 低于1 0n m ，而且制得了迄今为止晶粒最小且小于激子波尔半径( 2 7n m ) 的s n 0 2 纳米晶( 2n m ) ；生物分子的浓度、s n c l 4 l 赖氨酸的摩尔比、水热反应温度和反应 时间对s n 0 2 纳米晶的形状和颗粒大小影响不大。讨论了s n 0 2 纳米晶的水热合成 温度和罗丹明b 水溶液的p h 值对紫外光催化降解罗丹明b 反应活性的影响。研 究结果表明1 8 0 。c 水热合成的纳米晶s n 0 2 ，在碱性条件下的( p h = 8 ) 光催化性能最 好，在15 0m i n 内光催化罗丹明b 降解率接近1 0 0 。 2 、采用生物分子葡聚糖作为结构引导剂，通过模拟生物矿化的合成方法，在 水溶液中实现了高度有序的b a c 0 3 的可控晶化和自组装。通过调节实验参数( 例 如葡聚糖浓度、b a 2 + 浓度以及反应时间) 得到了由棒状微晶组成的树突状、哑铃状、 球状等形貌的碳酸钡复杂纳米结构。所得产物的物相、形貌和微结构分别通过 x r d 、s e m 、t e m 、h r t e m 和f t i r 进行分析表征。研究结果表明，树突状、 哑铃状、球状复杂纳米结构的形成可能遵循棒哑铃球( r d 。s ) 的自组装生长机理。 也探讨了碳酸钡复杂纳米结构改性后的超疏水性质。利用氟硅烷对碳酸钡复杂纳 米结构表面处理，表面处理后的水接触角( c a ) 从亲水的5 2 9 0 变为疏水的l 5 6 3 0 。 这表明物理结构和化学修饰可改变亲水性的表面为超疏水的表面。 i i 生物有机分子辅助液相合成纳米材料及性质研究 3 、在n ，n 二甲基甲酰胺( d m f ) 水混合溶剂体系中，使用葡聚糖分子作为晶 体修饰剂，矿化合成了具有不同形貌的碳酸锶纳米复杂结构，包括棒状、树突状、 哑铃状以及球状分级复杂结构。探讨了一系列实验条件( 如d m f 与水的体积比、 葡聚糖浓度、锶离子浓度以及反应时间) 对碳酸锶纳米复杂结构形貌的影响。碳酸 锶纳米复杂结构的生长可能遵循棒哑铃球( r d s ) 的自组装生长机理。体系中形 成的氢键是该自组装生长方式的驱动力，对形貌有重要的影响。增大d m f 与水 的体积比或葡聚糖浓度可能会使体系氢键增多，从而有利于碳酸锶复杂纳米结构 的形成。所合成的碳酸锶复杂纳米结构表面经氟硅烷处理后呈现超疏水性，另外 该复杂纳米结构材料对染料分子也有较好的吸附性能。 4 、通过改进的h u m m e r 法合成氧化石墨，对氧化石墨进行超声剥离，得到 氧化石墨烯片层结构。铁离子和镍离子通过静电作用吸附在氧化石墨烯表面，滴 加氨水沉淀，水热处理，最后经硼氢化钠还原制备了n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合纳米 材料。通过x r d 、f t i r 、r a m a n 、t e m 、h r t e m 和x p s 等分析测试手段对所 合成n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合纳米材料进行系统的分析表征。结果表明，所合成的 复合材料包含铁酸镍纳米颗粒和石墨烯，1 0 15 n m 左右的铁酸镍纳米颗粒结晶完 整，几乎单分散锚固在石墨烯片上。磁性研究表明n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合纳米材 料饱和磁强度( 胁) 可达4 6 2e m u g ，矫顽力( h e ) 为11 2o e ，几乎没有剩磁效应 ( 胁= 0 5 8 3e m ug - 1 ) 属超顺磁性纳米材料。 关键词：纳米材料：二氧化锡；生物矿化；碳酸盐；石墨烯复合物；液相合成 i i i 博+ 学位论文 a b s t r a c t t h es y n t h e s i sa n dd e s i g no fn a n o m e t e r i a l si st h em o s tp r o m i s i n gr e s e a r c ha r e a f o rn a n o s c i e n c e ，a n di ti sa l s ot h eb a s eo ft h ea p p l i c a t i o na n df u t u r ed e v e l o p m e n to f n a n o t e c h n o l o g y d u et ot h eu n i q u ep r o p e r t i e s ，s m a l ls i z ee f f e c t ，s u r f a c ee f f e c ta n d q u a n t u m s i z ee f f e c t ，e t c ，w h i c ha r ed if f e r e n tf r o mt h e i rb u l ks u b s t a n c e s ， n a n o m a t e r i a l sh a v e g r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nt h ef i e l d ss u c ha s c a t a l y s i s ， e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，b i o - m e d i c i n e ，e t c t h es i z ea n ds h a p eo ft h ei n o r g a n i c m i c r o - n a n o m a t e r i a l sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h e i rp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s t h u s ，t h es y n t h e s i sa n dp r o p e r t i e sc h a r a c t e r i z a t i o no fi n o r g a n i cn a n o m a t e r i a l sw i t h c o n t r o l l a b l es i z e ，d i s t r i b u t i o n ，m o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rt h e b a s i c a la n d a p p l i e d r e s e a r c ho fn e wn a n o m a t e r i a l s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，s e v e r a l d i f f e r e n t s y n t h e s i s m e t h o d sh a v e s u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d f o r s y n t h e s i z i n g n a n o - s t r u c t u r e dm a t e r i a l sw i t hc o n t r o l l e dm o r p h o l o g y b ya d j u s t i n gt h er e a c t a n t c o n c e n t r a t i o n ，r e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t a n tr a t i o ，w es y n t h e s i z e o x i d e ( s n 0 2 ) ，t w oc a r b o n a t e ( b a c 0 3 ，s r c 0 3 ) a n dn i f e 2 0 4n a n o c r y s t a l s g r a p h e n e c o m p o s i t ew i t hc o n t r o l l a b l em o r p h o l o g ya n ds i z e t h em o r p h o l o g y ，s t r u c t u r ea n d c o m p o n e n t so f t h eo b t a i n e dp r o d u c t sa r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e d b yx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( f t - i r ) ，r a m a ns p e c t r o s c o p y ( r a m a n ) ， s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ( t e m ) h i g h r e s o l u t i o nt r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y ( h r t e m ) ，x r a yp h o t o e l e c t r o n s p e c t r o s c o p y ( x p s ) ，u v - v i s i b l ea b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( u v v i s ) ，e t c t h e f o r m a t i o nm e c h a n i s m so ft h ea s s y n t h e s i z e dn a n o s t r u c t u r e sa r ed i s c u s s e da n dt h e i r p r o p e r t i e sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t sa n di n n o v a t i v ea c h i e v e m e n t sa r e s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 s n 0 2n a n o c r y s t a l sw e r ep r e p a r e db yu s i n gab i o m o l e c u l e ( l l y s i n e ) - a s s i s t e d h y d r o t h e r m a lm e t h o d t h ea s - s y n t h e s i z e dp r o d u c t s w e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d ， r a m a n ，f t i r a n dt e m h r t e m t h er e a c t i o n p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g t h e c o n c e n t r a t i o n so fb i o m o l e c u l eo rt h er a t i oo ft h es n c l 4 l l y s i n e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e a n dt i m e ，h a dl i t t l ee f f e c to nt h es i z ea n ds h a p eo ft h ea s s y n t h e s i z e ds n 0 2 n a n o c r y s t a l s t h i ss y n t h e s i sr o u t el e dt oa l m o s tm o n o d i s p e r s ep r o d u c t sw i t hp a r t i c l e s i z e sb e l o w10a m t h el l y s i n ef u n c t i o n e da sb o t has o u r c eo fa l k a l ia n dac h e l a t i n g a g e n t t h ea s - s y n t h e s i z e dn a n o c r y s t a l l i n e s n 0 2h a de x c e l l e n tp h t o t c a t a l y t i c i v 生物侑机分子辅助液相合成纳米材料及性质研究 d e g r a d a t i o no fr h bu n d e ru vi r r a d i a t i o nw h i c hw a sa t t r i b u t e dt ot h em o r eo x y g e n v a c a n c i e so nt h es u r f a c eo ft h en a n o c r y t a l l i n es n 0 2 t h e p h o t o c a t a l y t i ca c t i v i t yo ft h e s n 0 2n a n o c r y s t a l l i n ew a so p t i m i z e d u n d e rt h eb a s i c c o n d i t i o n ( p h = 8 ) ，s n 0 2 n a n o c r y s t a l ss y n t h e s i z e da t 18 0 h e l dt h eb e s tc a t a l y t i cp r o p e r t ya c t i v i tw i t ht h e d e g r a d a t i o no fr h b ，c l o s et o10 0 w i t h i n15 0r a i n 2 s h a p e - c o n t r o l l e dc r y s t a l l i z a t i o na n ds e l f - a s s e m b l yo fh i g h - o r d e r e db a c o s a r c h i t e c t u r e sw e r es y n t h e s i z e db yu s i n gd e x t r a na st h es t r u c t u r ed i r e c t i n ga g e n t si n a q u e o u ss o l u t i o n t h ep h a s e s ，m o r p h o l o g i e sa n ds t r u c t u r e so ft h ep r o d u c t sw e r e c h a r a c t e r i z e d b yx r d ，s e m ，t e m ，h r t e ma n df t - i rs p e c t r o p h o t o m e t e r d e n d r i t e l i k e ，d u m b b e l l l i k e ，a n ds p h e r i c a lb a c 0 3c o m p l e xn a n o s t r u c t u r e sw e r e o b t a i n e db yt u n i n gt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r ss u c ha st h ec o n c e n t r a t i o no fd e x t r a n ， t h ec o n c e n t r a t i o no fb a 计c a t i o n sa n dr e a c t i o nt i m e t h ef o r m a t i o no fd e n d r i t e 1 i k e d u m b b e l l l i k e ，a n ds p h e r i c a lc o m p l e xn a n o s t r u c t u r e sc o u l db ee x p l a i n e d b y a r o d - d u m b b e l l s p h e r e ( r d s ) s e l f - a s s e m b l yg r o w t hm e c h a n i s m t h es u r f a c ep r o p e r t i e s o fb a c 0 3 c r y s t a l s w e r e s u c c e s s f u l l y m o d i f i e dt ob e s u p e r h y d r o p h o b i cu s i n g f l u o r o s i l a n ea sm o d i f i e r t h es u p e r h y d r o p h o b i c i t yo fb a c 0 3c o m p l e xn a n o s t r u c t u r e s w a sa t t r i b u t e dt ot h ec o m b i n a t i o no fc h e m i c a l c o m p o s i t i o na n d t h et e x t u r e d t o p o g r a p h y t h es u p e r h y d r o p h o b i cp r o p e r t i e so fa s r e s u l t e dp r o d u c t sm a yh a v e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n sa sf i l l e ri nc o m p o s i t em a t e r i a l s 3 w er e p o r t e dt h eb i o m i n e r a l i z a t i o ni nv i t r oo fs r c 0 3c o m p l e xn a n o s t r u c t u r e s o b t a i n e d b yu s i n gg l u c o s a n a st h em o d i f i e ri nt h e d i m e t h y l f o r m a m i d e ( d m f ) - d e i o n i z e dw a t e r ( d i w ) m i x e ds o l v e n t s r o d ，d e n d r i t e ，d u m b b e l l ，a n d s p h e r e l i k es r c 0 3n a n o s t r u c t u r e sw e r ea c h i e v e db yt u n i n gt h ev o l u m er a t i oo f d m f d i w ，r e a c t i o nt i m e ，a n dc o n c e n t r a t i o n s t h ep h a s e ，s t r u c t u r e ，a n dm o r p h o l o g y o ft h ea s o b t a i n e dp r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d ，s e m ，t e m ，h r t e m ，f t i r s p e c t r o s c o p y ，a n db u n a u e r - e m m e t t t e l l e r ( b e t ) a n a l y s i s t h ep o s s i b l ef o r m a t i o n m e c h a n i s mo fs r c 0 3c o m p l e xn a n o s t r u c t u r e sf o l l o w st h er o d - d u m b b e l l - - s p h e r eg r o w t h p r o c e s s b o t hh i g h e rd m f d i wr a t i o s ( i e ，m o r ed m fm o l e c u l e s ) a n dl a r g e r g l u c o s a n c o n c e n t r a t i o n si nt h em i n e r a l i z a t i o n p r o c e s sw e r e i nf a v o ro ft h e s e l f - a s s e m b l yp r o c e s s ，d u et om o r eh y d r o g e nb o n d sm a yf o r m e di nt h es y s t e m ，w h i c h l e dt ot h ef o r m a t i o no fd u m b b e l l sa n ds p h e r e s t h ea s - s y n t h e s i z e ds r c 0 3c o m p l e x n a n o s t r u c t u r e sh a de x c e l l e n ta d s o r p t i o np r o p e r t i e sa n d s u p e r h y d r o p h o b i c i t y ，w h i c h m a yo p e nu paw i d er a n g eo fp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n 4 n i f e 2 0 4n a n o c r y s t a l s g r a p h e n ec o m p o s i t e ( n f g c ) w a ss y n t h e s i z e dv i aa s i m p l ec h e m i c a ld e p o s i t i o nm e t h o db yu s i n gg r a p h e n eo x i d ea sap r e c u r s o r t h e v 博上学位论文 a s - s y n t h e s i z e dp r o d u c tw a ss y s t e m a t i c a l l yc h a r a c t e r i z e db yx r d ，f t - i r ，r a m a n ， t e m ，h r t e m ，x p s ，r e s p e c t i v e l y t h em a g n e t i cp r o p e r t y o ft h en i f e 2 0 4 n a n o c r y s t a l s g r a p h e n ec o m p o s i t ew a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h e n i f e 2 0 4n a n o c r y s t a l sh o m o g e n e o u s l ya n c h o r e d t ot h e g r a p h e n e s h e e t sw e r e w e l l c r y s t a l l i z e dp a r t i c l e s ，w i t ha na v e r a g es i z eo f1o - 15n m m a g n e t i cm e a s u r e m e n t r e v e a l st h en i f e 2 0 4n a n o c r y s t a l s g r a p h e n ec o m p o s i t ew a ss u p e r p a r a m a g n e t i cw i t ha s a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no f4 6 2e m u g 一，ac o e r c i v i t yo f11 2o ea n dr e m a n e n c e e f f e c to fo 5 8 3e m u g k e y w o r d s ：n a n o m a t e r i a l ；t i nd i o x i d e ；b i o m i n e r a l i z a t i o n ；c a r b o n a t e ；g r a p h e n e c o m p o s i t e s ；l i q u i d - p h a s es y n t h e s i s v l 生物有机分子辅助液相合成纳米材料及性质研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书1 摘要i i a b s t r a c t ：1 1 0 r 第l 章绪论l 1 1 纳米材料性质及表征方法1 1 1 1 纳米材料概述1 1 1 2 纳米材料的分类和性质2 1 1 3 纳米材料常用的表征方法3 1 2 无机纳米粒子的合成方法6 1 2 1 固相法6 1 2 2 液相法6 1 2 3 气相法l0 1 3 纳米材料的应用1 0 1 3 1 在催化方面的应用1 0 1 3 2 在涂料方面的应用1 2 1 3 3 在生物医药方面的应用1 3 1 3 4 在光学方面的应用1 3 1 3 5 在磁学方面的应用1 4 1 3 6 在电池中的应用15 1 4 生物分子辅助的纳米材料的合成1 7 1 4 1 生物分子辅助合成半导体纳米材料1 8 1 4 2 生物矿化的概念一1 9 1 5 研究目的和内容2 0 第2 章氨基酸辅助水热合成s n 0 2 纳米晶及其光催化活性研究2 2 2 1 引言2 2 2 2 实验部分2 3 2 2 1 实验试剂及实验仪器2 3 2 2 2s n 0 2 纳米晶的合成一2 4 2 2 3 产物的表征一2 4 2 2 4 光催化活性测试2 4 2 3 结果与讨论2 5 v l l 博士学位论文 2 3 1s n 0 2 纳米晶结构表征2 5 2 3 2s n 0 2 光催化降解r h b 活性研究2 9 2 4 本章小结3 3 第3 章生物矿化合成碳酸钡复杂纳米结构及其超疏水性质研究3 4 3 1 引言3 4 3 2 实验部分3 5 3 2 1 实验试剂及实验仪器3 5 3 2 2b a c 0 3 晶体的合成3 6 3 2 3 产物的表征3 6 3 3 结果与讨论3 7 3 4 本章小结4 4 第4 章在混合溶剂中葡聚糖调控碳酸锶晶体分等级结构的合成及性质研究一4 5 4 1 引言4 5 4 2 实验部分4 6 4 2 1 实验试剂及实验仪器4 6 4 2 2s r c 0 3 晶体的合成4 7 4 2 3 产物的表征4 8 4 3 结果与讨论4 9 4 3 2 碳酸锶的超疏水研究5 5 4 3 2 碳酸锶的吸附性能研究5 6 4 4 本章小结5 8 第5 章n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合材料的合成、表征及其磁性研究5 9 5 1 引言5 9 5 2 实验部分6 0 5 2 1 实验试剂及实验仪器6 0 5 2 2g o 和n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合材料的制备6 l 5 2 3 产物的表征6 2 5 2 4 产物磁性的测量6 2 5 3 结果与讨论6 3 5 3 1n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合材料的表征6 3 5 3 2n i f e 2 0 4 g r a p h e n e 复合材料的磁性研究6 8 5 4 本章小结6 9 结论7 0 参考文献一7 1 附录a 攻读博士学位期间发表的学术论文目录8 8 v i i i 生物有机分子辅助液相合成纳米材料及性质研究 附录b 攻读博士学位期间主要参与的研究课题9 0 致谢9 1 博上学位论文 第1 章绪论 1 1 纳米材料性质及表征方法 1 1 1 纳米材料概述 纳米( n m ) 是一个长度单位，l n m = l o m ，约为头发宽度的十万分之一。纳米 材料科学是在2 0 世纪末发展起来的一个新兴的研究方向。纳米材料因具有很多优 良的物理和化学特性，比如高的比表面积、高电导、高硬度、高催化活性和化学 活性等而备受青睐。纳米科学与技术是三维中至少其中一维是以l 至10 0a m 尺 寸问的物体为研究对象的一门前沿交叉科学，涵盖了纳米物理学、纳米电子学、 纳米材料学、纳米机械学、纳米制造学、纳米显微学、纳米计量学、纳米化学、 纳米生物学、纳米医学，是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术 1 - 3 】。纳米技术( n a n o t e c h n o l o g y ) 词的定义是由东京理工大学的n o r i ot a n i g u c h i 教授在1 9 7 4 年提出的。随着合成和表征技术的发展，19 8 4 年，德国萨尔兰大学 的g l e i t e r 以及美国阿贡试验室的s i e g e l 相继以气相凝集的方法制备了纳米颗粒， 使纳米材料进入了一个新的发展阶段【4 】。l9 9 0 年7 月在美国召开的第一届国际纳 米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学成为材料科学的一个新分支。从材料的 结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。 在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。 纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂 成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、 磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变【5 】。纳米相材料和其他固体 材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组 成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到1 0 0 n m ，包含的原子不到几万个。一个直径为3n m 的原子团包含大约9 0 0 个原子， 几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条3 0 0 多米长的帆船与 整个地球的比例。 但是从某种意义上说，纳米科学与技术并不是全新的。大自然从根本上来说 也依赖纳米级别的结构和过程，从最简单的胶体( 如牛奶) 到高度复杂结构的蛋白 质，都是纳米尺度的。日常生活中，纳米颗粒常常作为燃烧和烹饪过程的副产物 出现。历史上，关于尺度依赖性效应已经被应用了几个世纪之久，早在公元1 0 世纪，金、银纳米粒子( 直径小于1 0 0n m 的颗粒) 就被用在彩色玻璃和陶瓷颜料加 工中。许多化学药品和化学合成过程也都是在纳米级别进行的，例如，化学家们 一直在使用的聚合物( 由纳米尺度的小分子聚合而成) 。近年来，成像技术快速发 生物有机分子辅助液相合成纳米材料及性质研究 展，如扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明，使得对纳米世界的认识大为改善， 促进了可控制纳米材料的合成和应用【6 1 。 纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术 被公认为是2 1 世纪最具有前途的科研领域。纳米技术正成为各国科技界所关注的 焦点，正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段 科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是2 1 世纪的又一次产业革命”l5 1 。 1 1 2 纳米材料的分类和性质 1 1 2 1 纳米材料的分类 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( 1 1o o n m ) 或由它 们作为基本单元构成的材料。如按维数分类，可以分成三类： l 、零维：指材料的空间三维尺度均在纳米尺度范围内，如纳米尺度颗粒，原 子团簇等； 2 、一维：指材料的空间三维尺度有两维处于纳米尺度范围内，如纳米丝、纳 米棒、纳米管等； 3 、二维：指材料盼三维空间中有一维是在纳米尺度范围内的，如超薄膜，多 层膜，超晶格等。 按化学组成可将纳米材料分为：纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、 纳米高分子和纳米复合材料。 按材料物理性质可将纳米材料分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线 性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。 按照应用可将纳米材料分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物材料、 纳米敏感材料、纳米储能材料等1 7 1 。 1 1 2 2 纳米材料的性质 纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程 有序的”气体状”固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此， 一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的”第三态晶体材料”。正是由 于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即表面效应和界面效应、小尺 寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化 学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。 1 、表面与界面效应：这是指纳米晶体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。例如粒子直径为1 0n m 时，微粒包含4 0 0 0 个原子，表面原子占4 0 ；粒子直径为1 纳米时，微粒包含有3 0 个原子，表