4.典型的纳米材料二-纳米氧化物课件VIP

典型的纳米材料-纳米氧化物,纳米氧化物,1.纳米二氧化钛（TiO2）2.纳米氧化锌（ZnO）3.纳米三氧化二铝（Al2O3）4.纳米氧化硅（SiO2）5.纳米稀土氧化物,纳米二氧化钛（TiO2）,二氧化钛的相对密度3.94.2。而纳米二氧化钛的堆积密度是0.2-0.5g/cm3，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在100纳米以下，其外观为白色疏松粉末，俗称纳米钛白粉。（1）具有很好的光催化效果，能分解在空气中的有害气体和部分无机化合物，（2）并抑制细菌生长和病毒的活性，达到空气净化、杀菌、除臭、防霉。（3）纳米二氧化钛具有抗紫外线、抗菌、自洁净、抗老化功效，还可以大幅提高产品粘结力。（4）与其他原料有极好的相容性。,二氧化钛的晶型结构,纳米二氧化钛分类,分类：一.按照晶型可分为:金红石型纳米钛白粉和锐钛型纳米钛白粉。二.按照表面特性可分为:亲水性纳米钛白粉和亲油性纳米钛白粉。三,按照外观来分：有粉体和液体之分，粉体一般都是白色，液体有白色和半透明状。,纳米二氧化钛的应用,纳米TiO2具有十分宝贵的光学性质，在汽车工业及诸多领域都显示出美好的发展前景。纳米TiO2还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。,1.杀菌功能在紫外线作用下，以0.1mg/cm3浓度的超细TiO2可彻底地杀死恶性海拉细胞，而且随着超氧化物歧化酶（SOD）添加量的增多，TiO2光催化杀死癌细胞的效率也提高；用TiO2光催化氧化深度处理自来水，可大大减少水中的细菌数，饮用后无致突变作用，达到安全饮用水的标准。在涂料中添加纳米TiO2可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院病房、手术室及家庭卫生间等细菌密集、易繁殖的场所，可有效杀死大肠杆菌、黄色葡萄糖菌等有害细菌，防止感染。,2.防紫外线功能纳米TiO2既能吸收紫外线，又能反射、散射紫外线，还能透过可见光，是性能优越、极有发展前途的物理屏蔽型的紫外线防护剂。与同样剂量的一些有机紫外线防护剂相比，纳米TiO2在紫外区的吸收峰更高，更可贵的是它还是广谱屏蔽剂，不象有机紫外线防护剂那样只单一对UVA或UVB有吸收。它还能透过可见光，加入到化妆品使用时皮肤白度自然，不象颜料级TiO2，不能透过可见光，造成使用者脸上出现不自然的苍白颜色。利用纳米TiO2的透明性和紫外线吸收能力还可用作食品包装膜、油墨、涂料和塑料填充剂，可以替代有机紫外线吸收剂，用于涂料中可提高涂料耐老化能力。,3.对氟里昂的降解功能前些年，由于氟里昂有良好的致冷效果而被广泛应用于冰箱、空调中，但它们能消耗空气中的臭氧，同时自身不易分解，造成了严重的臭氧空洞，危害了人们的健康。而TiO2对于CFCl3的降解具有良好的光催化活性，用TiO2/WO3体系降解CFCl3，在100h内保持催化效率高于99.6%。另外，TiO2可降解某些塑料，达到消除白色污染的功能。TiO2还对其它物质有降解功能，比如冯良荣等人研究发现纳米TiO2对表面活性剂SDBS的降解有很好的效果。,4.对有机废水的处理功能纳米TiO2复合材料对有机废水的处理，效果十分理想。潭湘萍采用新型载银TiO2的TSA复合催化剂，对印染和精炼废水生化处理后的出水进行深度处理，光照120min后，印染和精炼废水的CODcr去除率分别为75.3%和83.4%。方佑龄等人用浸渍法制备了漂浮于水面上的TiO2光催化剂，研究了其对辛烷的光催化分解。这为解决海洋石油污染提供了一种切实可行的办法。余家国等人研究了在太阳光照射下用多孔纳米TiO2薄膜处理水溶液中的敌敌畏有很好的效果。纳米TiO2还可有效地用于含CN-的工业废水的光催化降解。,5.自清洁功能纳米TiO2具有很强的“超亲水性”，在它的表面不易形成水珠，而且纳米TiO2在可见光照射下可以对碳氢化合物作用。利用这样一个效应可以在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层有很好的保洁作用。日本东京已有人在实验室研制成功自洁瓷砖，这种新产品的表面上有一薄层纳米TiO2，任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下，由于纳米TiO2的催化作用，可以使这些碳氢化合物物质进一步氧化变成气体或者很容易被擦掉的物质。纳米TiO2光催化作用使得高层建筑的玻璃、厨房容易粘污的瓷砖、汽车后视镜及前窗玻璃的保洁都可很容易地进行。,6.其它功能纳米TiO2还有许多其它功能。如有人利用TiO2光催化将Hg2+还原为Hg沉积在TiO2表面，这为含金属离子（如Hg2+）废水的处理提供了可行的方法。还有人发现，TiO2对有害气体也具有吸收功能，如含TiO2的烯烃聚合物纤维涂在含磷酸钙的陶瓷上可持续长期地吸收不同酸碱性气体。鉴于以上功能，纳米TiO2具有非常广阔的前景。对它的研究和利用无疑会给人们的生活带来巨大改变。,在二氧化钛光致特性的改性中主要采用4种方法：1.在TiO2表面沉积贵金属；2.金属阳离子或阴离子掺杂;3.有机染料敏化，即光敏化;4.复合材料。在TiO2薄膜中添加SiO2或者锑（Sb），可以大幅提高TiO2薄膜的亲水性。,二氧化钛的改性,纳米氧化锌（ZnO）,纳米氧化锌是一种多功能性的新型无机材料。颗粒大小约在1100nm，呈现表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等。具有普通氧化锌所无法比较的特殊性和用途，在许多领域有重要的应用价值。,纳米氧化锌的表面改性,纳米氧化锌比表面积大、比表面能大，自身易团聚；纳米氧化锌表面极性较强，在有机介质中不易均匀分散。根据不同要求，选择适当的表面改性剂或改性工艺，改善纳米氧化锌表面性能，增加纳米颗粒与基体之间的相容性，从而应用于各种领域，提高产品的性能技术指标。,纳米氧化锌的应用,1.橡胶工业中的应用2.国防工业中的应用3.纺织工业中的应用4.涂料防腐中的应用5.生物医学中的应用,橡胶工业中的应用,纳米氧化锌可以提高橡胶制品的光洁性、耐磨性、机械强度和抗老化性能性能指标。,橡胶工业中的应用,纳米氧化锌粒子较细，对胶料的硫化起步延迟作用较大。随着纳米氧化锌用量增加，其聚集倾向增强，硫化起步的延迟作用逐渐减慢，拉伸强度逐渐增高并趋于稳定，拉断伸长率逐渐降低并趋于稳定。当用量增大到超过5份时，出现填充效应，硫化起步的延迟作用开始变小，综合性能最佳。,国防工业中的应用,纳米氧化锌还具有质量轻、颜色浅、吸波能力强等特点，能有效的吸收雷达波，应用于新型的吸波隐身材料。,纳米氧化锌具有很强的吸收红外线的能力，吸收率和热容的比值大，可应用于红外线检测器和红外线传感器,纺织工业中的应用,纳米氧化锌具有良好的紫外线屏蔽性和优越的抗菌、抑菌性能，添加入织物中，能赋予织物以防晒、抗菌、除臭等功能。,采用溶胶-凝胶法制备的纳米级氧化锌浸轧整理织物，结果发现：UPF值达95.8，抗紫外效果显著，耐洗涤；对大肠杆菌的抑菌率达99.97%，效果持久。织物的白度、断裂强力、透气性能变化不大，基本不影响整理织物的舒适性。,涂料防腐中的应用,纳米氧化锌由于具有极好的抗氧化和抗腐蚀性能，高的熔点，紫外线屏蔽能力及杀菌除臭性。可以添加到有机物尤其是涂料中。是一种新型的高功能精细无机材料。,涂料防腐中的应用,利用钛酸酯偶联剂制得改性纳米ZnO试样。然后制备清漆、含未改性纳米ZnO的复合涂料和含改性纳米ZnO的复合涂料的涂层样品进行对比试验。结果表明，经过改性的纳米ZnO其团聚现象明显消失，与涂料表现出良好的相容性，所得的复合涂层的抗渗透能力明显增强。改性纳米ZnO显著提高了丙烯酸聚氨酯涂料的防腐性能。,生物医学中的应用,纳米材料在免疫调节中的作用越来越被重视，目前的研究主要集中在对免疫标志物的靶向识别等方面。,氧化锌纳米材料促进混合淋巴细胞培养中淋巴细胞的增殖，增强了免疫应答的强度。,纳米氧化锌的前景,纳米氧化锌的制备技术已经取得了一些突破，在国内形成了几家产业化生产厂家。纳米氧化锌的表面改性技术及应用技术尚未完全成熟，其应用领域的开拓受到了较大的限制，并制约了该产业的形成与发展。,纳米三氧化二铝（Al2O3）,氧化铝与其他材料相比，它具有许多独特、优良的性能，如高熔点(2015)、较高的室温和高温强度，高的化学稳定性和接点介电性能，电绝缘性好，硬度高(莫氏硬度9)，耐磨性好且成本低廉。因而氧化铝陶瓷可用于制造高速切削工具，高温热电耦套管、化工高压机械泵零件、内燃机火花塞、人工关节及航空磁流体发电材料等多种陶瓷器件。纳米氧化铝材料的特殊光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象、在高温下仍具有的高强、高韧、稳定性好等奇异特性，以及各种纳米粉体材料共有的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使其在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等领域有广阔的应用前景。,氧化铝的分类,根据氧化铝的晶型转变温度不同，氧化铝又分为低温型和高温型。已经确定的氧化铝有，等几种。其中最主要的是-氧化铝和-氧化铝。氧化铝随温度不同晶型发生转化的顺序为：,纳米氧化铝的应用,1.活性催化剂和催化剂载体氧化铝具有明显的吸附剂特征，并能活化许多键，如HH键，CH键等，因此在烃类裂化、醇类脱水制醚等反应中可直接作为活性催化剂加人反应体系中，如乙醇脱水产生乙烯。由于氧化铝表面同时存在酸性中心和碱性中心，因此氧化铝本身就是一种极好的催化剂。氧化铝尺寸小，表面所占的体积分数大，表面原子配位不全等导致表面活性位置增加，而且随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，因而纳米氧化铝是理想的催化剂或催化剂载体。,纳米氧化铝的应用,2.表面防护层材料将纳米氧化铝粒子喷涂在金属、陶瓷、塑料、玻璃、漆料及硬质合金的表面上，可明显提高表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，且具有防污、防尘、防水等功能，因此可用于机械、刀具、化工管道等表面防护。有报道在AISI304不锈钢表面涂氧化铝防护层，使得表面硬度由3.8GPa提高到10.8GPa，并且在受到同样的负载下，表面压痕深度减少了30%左右。,纳米氧化铝的应用,3.光学材料纳米氧化铝可以吸收紫外光，并且在某些波长光的激发下可以产生出与粒子尺寸相关的波长的光波。氧化铝可烧结成透明陶瓷，作为高压钠灯管的材料；可用作紧凑型荧光灯中荧光粉层的保护涂膜；还可和稀土荧光粉复合制成荧光灯管的发光材料，提高灯管寿命。此外，纳米氧化铝多孔膜有红外吸收性能，可制成隐身材料用于军事领域；利用其对80nm紫外光的吸收效果可作紫外屏蔽材料和化妆品添加剂。,纳米氧化铝的应用,4.陶瓷材料在常规氧化铝陶瓷中添加5%的纳米级氧化铝粉体，可改善陶瓷的韧性，降低烧结温度。由于纳米氧化铝，粉体的超塑性，解决了因低温脆性而限制其应用范围的缺点，因此在低温塑性氧化铝陶瓷中得到广泛应用。在其它陶瓷基体中加人少量的纳米级氧化铝，可以使材料的力学性能得到成倍的提高，其中以SiC氧化铝纳米复合材料最为显著，共抗弯强度从单相碳化硅陶瓷的300400MPa提高到1GPa，经过热处理可达1.5GPa，材料的断裂韧性提高幅度也在40%以上。,纳米氧化铝的应用,5.电子工业纳米氧化铝由于具有巨大的表面和界面，对外界湿度变化敏感，而且稳定性高，是理想的湿敏传感器和湿电温度计材料L5。同时，它还具有良好的电绝缘性、化学耐久性、耐热性、抗辐射能力强、介电常数高、表面平整均匀，可用作半导体材料和大规模集成电路的衬底材料，广泛应用于微电子、电子和信息产业。,纳米氧化铝的应用,6.生物医药材料氧化铝生物陶瓷在生理环境中基本上不发生腐蚀，具有良好的结构相容性，新生组织长人多孔陶瓷表面上交连贯通的孔隙，与机体组织之间的结合强度较高，并且有强度高、摩擦系数小、磨损率低等特性。因此在人体骨骼上应用比较广泛，已用于制作承力的人工骨、关节修复体、牙根种植体、折骨夹板与内固定器件、药物缓释载体等。由氧化铝和氧化锆复合制得的陶瓷材料，具有很高的强度和韧性，是良好的美容牙科修复材料。,纳米氧化铝的应用,7.氧化铝纳米复合材料纳米复合材料可按显微结构的不同分为晶内型、晶间型、晶内/晶间型及纳米/纳米型纳米颗粒分布于基体晶粒内的是晶内型，纳米颗粒分布在基体晶粒间的是晶间型，上述两种情况都有的是晶内/晶间型，分散相与基体相的晶粒都是纳米尺度的结构是纳米/纳米型.目前制备纳米/纳米型结构的复合材料还有一定的困难。,纳米氧化铝的发展前景,我国纳米氧化铝市场前景良好，利润空间较大。作为一种有广泛用途的纳米材料，纳米氧化铝市场前景广阔。预计到2010年，国内市场需求量将达到2573t，并且由于其优异的特性，市场需求强劲.市场价格连年增长，利润空间较大。相信随着纳米技术的发展和市场的规范，在不久的将来.我国纳米氧化铝产业将逐步走向成熟，为我国国民经济增长做出贡献。,纳米二氧化硅（SiO2）,纳米技术日新月异，纳米材料科学也不断的进步。纳米二氧化硅作为纳米材料的一员，其制备方法不断涌现，其应用范围不断拓展，已逐渐成为重要的无机纳米材料。本文主要讲述纳米二氧化硅的特性以及其近年来在各新兴领域中的应用。,研究纳米二氧化硅的意义,纳米二氧化硅为无定型白色粉末，是一种无毒、无味、无污染的非金属材料，微粒结构非常特殊，表现出奇异或反常的物理化学特性，具有卓越的光、力、电、热、磁、放射、吸收等特殊性能，在众多学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用，因此，研究纳米二氧化硅材料具有十分重大的意义。,纳米二氧化硅的电学方面的应用,在半导体中的应用在电极中的应用在集成电路中的应用,1.在半导体中的应用,纳米SiO2是绝缘的，且其化学性质很稳定，因此纳米SiO2被用作半导体材料的隔离带，钝化层，也就是绝缘层，保护层。,2.在电极中的应用,纳米材料的特异性能，尤其是其大的比表面积和完整的表面结构，使其成为优良的电极材料。纳米材料被誉为21世纪最有发展前途的材料，作为电极修饰剂有着广阔的应用前景。随着世界各国对纳米微粒和纳米材料研究的不断探入，制备纳米金属氧化物及复合金属氧化物粉体技术不断发展和成熟，纳米金属氧化物修饰电极的制备及其应用也日益受到科研工作者的青睐。纳米SiO2作为纳米材料中的一种，同样也具有这方面的性能，不仅比与一般的电极相比具有更高的稳定性，导电性和催化性能，同时也赋予电极某些新的电学和化学特性。,3.在集成电路中的应用,随着大规模集成电路器件集成度的提高，多层布线技术变得愈加重要，如逻辑器件的中间介质层将增加到45层，这就要求减小介质层带来的寄生电容。目前普遍采用的制备介质层的SiO2，其介电常数约为4.0，并具有良好的机械性能。如用于硅大功率双极晶体管管芯平面和台面钝化，提高或保持了管芯的击穿电压，并提高了晶体管的稳定性。这种技术，完全达到了保护钝化器件的目的，使得器件的性能稳定、可靠，减少了外界对芯片沾污、干扰，提高了器件的可靠性能。,现在，纳米SiO2应用于各相关领域的研究局面己全面展开，并已在上述诸多领域中获得成功应用。相信各行业的生产企业只要在实际应用中，通过必要的化学和机械分散手段将纳米SiO2软团聚体颗粒充分、均匀地分散在基材中，完全可以提高传统材料的各项性能指标并创造出性能优异的新一代功能型材料。我国纳米材料的研究已取得许多成果，但纳米SiO2的应用才刚刚起步，所以在以产品性能为依据的前提下，改进制备工艺，使二氧化硅产品具有较高附加值，是今后研究开发的趋势，应用研究与产品开发相结合，其市场前景是十分广阔的。相信在不远的将来，纳米SiO2会进一步工业化，并广泛应用于各个领域。,纳米稀土氧化物（）,纳米稀土氧化物,中东有石油，中国有稀土,我国是稀土大国稀土是我国的战略性资源稀土产业的发展是伴随着高科技的发展而发展的,1.小尺寸效应2.表面效应3.量子尺寸效应4.量子隧道效应,1.特殊的4f电子层结构2.电子能级丰富3.未成对电子多4.容易失去电子形成多种价态化合物,稀土氧化物纳米化,稀土纳米氧化物的应用领域,稀土发光材料稀土催化材料稀土高性能陶瓷稀土磁性材料稀土超导材料稀土紫外线吸收剂稀土精密抛光,发光原理,稀土发光材料,1、基质晶格吸收激发能2、基质晶格将吸收的激发能传递给激活离子3、被激活的离子发出荧光而返回基态,稀土发光材料,光致发光（以紫外光或可见光激发）稀土节能荧光灯，发光涂料阴极射线发光（以电子束激发）电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器X射线发光（以X射线激发）医用X射线照相用高灵敏度增感屏电致发光（以电场激发）等离子显示屏,三基色荧光粉,三基色荧光粉常用的稀土激活荧光体有：红粉：铕（Eu3+）激活的氧化钇、有时用Bi3+共掺杂蓝粉：铕（Eu2+）激活的硅酸盐基质铕（Eu2+）激活的铝酸盐基质铕（Eu2+）激活的氯磷酸盐基质铕（Eu2+）激活的钡镁铝酸盐绿粉：铽（Tb3+）、铋（Bi3+）和铈（Ce3+）激活的镁铝酸盐铽（Tb3+）和钆（Gd3+）激活的镁钡铝酸盐使用纳米化的稀土材料将大大提高发光效率、降低稀土用量,长余辉发光材料,稀土催化材料主要应用领域,汽车尾气净化工业废气、人居环境净化催化燃烧燃料电池,稀土催化材料在汽车尾气净化领域的应用,1.添加La2O3、Y2O3、CeO2能够改善催化剂中高比表面涂层的热稳定性和机械强度2.添加CeO2能够稀土氧化物提高催化剂的储氧能力和抗硫中毒性能3.钙钛型稀土催化剂可提高催化剂的活性，部分或完全取代贵金属4.稀土纳米粒子的使用可大大提高了尾气中的一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化物的转化率，降低转化温度，从而减少催化剂的用量,稀土催化材料在工业废气、人居环境净化领域的应用,烟气脱硫脱氮铈铝酸镁尖晶石、钙钛矿型稀土复合氧化物、萤石型稀土复（混）合氧化物,焦化废水Ce2Cu为活性组分(13),2Al2O3/TiO2