纳米材料讲座课件

合成与制备SynthesisandFabrication,结构Structures,性质Properties,效能与功能Performance,表征,文献检索,1、纳米材料表征技术,XRD，X-rayPowderdiffractions,SEM，ScanningElectronMicroscope,TEM，Transmissionelectronmicroscopy,XPS，X-rayphotoelectronspectroscopy,AFM，Atomicforcemicroscopy,观测颗粒的形状、大小及粒度分布；观测样品个各部分电子射散能力的差异；晶体结构的鉴定及分析。,TEM,电子数目越多散射越厉害，透射电子就越少，从而图像就越暗；样品厚度、原子序数、密度对衬度也有影响，一般有下列关系：a样品越厚，图像越暗；b原于序数越大，图像越暗；c密度越大，图像越暗,SEM,尺寸、维数、材料的空间立体结构元素组成（能谱附件）,SEM和TEM结合研究材料微观结构,XRD,晶相结晶度尺寸取向（形态）,最有影响力的杂志社（化学会）,美国化学会：ACS.org,,英国皇家化学会：R,Wiley杂志社：,Science：,Nature：,爱思威尔出版社elsevier：S,2、文献检索,AdvancedFunctionalMaterials,AdvancedMaterials,AdvancedEnergyMaterials,NatureMaterials,ChemistryofMaterials,JournalofMaterialsChemistry,几个代表性的期刊,JournaloftheAmericanChemicalSociety,AngewandteChemieInternationalEdition,无机合成中的结构鉴定和表征问题,由于无机材料和化合物的合成对组成和结构有严格的要求，因而结构的鉴定和表征在无机合成中是具有指导作用的。鉴定与表征：常规的组成分析、X射线、各类光谱、LEED（低能电子衍射）等一些特种的近代检测方法。,3、合成方法中基本问题,单原子Ag催化材料的结构表征,MnSO4和K2KMnO4水热反应获得HMO载体,问题一：形成的是不是单原子Ag？,1.1HRTEM,1.1HRTEM,HRTEM测试结果表明形成了单原子Ag！,4、纳米材料合成方法,固相合成法,1、常见方法的优缺点,2、合成所需要的（重要）装置（仪器）及基本步骤,3、所采用的原料,高能球磨法PVDCVD常规合成法水热法微乳液法,装置：水平管式炉，刚玉管;基质：刚玉片,物理气相沉积特点,4、产物质量好,表面干净,1、反应温度较高2、条件苛刻（装置要求高，实验参数需精心控制）3、产率较低且产物中形貌纯度低，均一性不好,以三氯硅烷(TCS)和氨气分别作为低压化学气相沉积(LPCVD)氮化硅薄膜(SiNx)的硅源和氮源,以高纯氮气为载气,激光化学沉积就是用激光（CO2或准分子）诱导促进化学气相沉积。激光化学气相沉积的过程是激光分子与反应气分子或衬材表面分子相互作用的工程。按激光作用的机制可分为激光热解沉积和激光光解沉积两种。激光热解沉积用波长长的激光进行，如CO2激光、YAG激光、Ar+激光等，一般激光器能量较高、激光光解沉积要求光子有大的能量，用短波长激光，如紫外、超紫外激光进行，如准分子XeCl、ArF等激光器。,结构性能关系分析,化学气相沉积沉积法制备碳纳米管有序阵列,将2mol/L的Fe(NO3)3溶液、正硅酸乙酯、无水乙醇按16：25：32的比例混合，静置24h制成溶胶。在适当大小的干净硅片表面滴加制备好的溶胶，然后用匀胶机使其催化剂在硅片表面形成一层均匀薄膜，自然晾干后，在H2气氛下500还原10h，将Fe3+还原成Fe。还原出的Fe纳米颗粒即为制备碳管阵列所用的催化剂。,将附有催化剂薄膜的硅片置于管式炉中，加热至680，以30mL/min的流速通H2，恒温1h；之后通入C2H2和Ar的混合气体开始反应，C2H2流速为20ml/min，Ar流速为300mL/min，反应20min后，即得到致密有序的碳纳米管阵列。,这些材料可以是氧化物、硫化物、氮化物、碳化物也可以是-，-，-族中的二元或多元的元素间化合物，而且它们的物理功能可以通过气相掺杂的沉积过程精确控制。,1.原料来源广泛，易于实现对材料微观结构的调控2.合成温度较低（对设备要求相对低一些）3.可用于合成的材料种类广，并可实现材料的掺杂,化学气相沉积特点：,1属于气相方法，所用的装置相似,2所得样品均具有较好的晶化程度,3反应过程不同：物理过程-化学过程4纯度不同：PVD方法制备的材料纯度高，CVD法所得材料纯度相对低一些5与PVD相比，CVD制备的材料的种类广。如-,PVD与CVD方法的联系和区别,3多采用基底，需要催化剂；可直接用于制备器件,软化学方法中几个问题,1、主要属于液相反应过程,2、化学反应,3、软硬是相对的,关键问题,-形成纳米尺度固体颗粒,目标,-防止大颗粒生成控制粒子尺寸在纳米尺度内,-控制形貌,（1）共沉淀法在含有金属阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。（2）均匀沉淀法在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现，称为均匀沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。（3）多元醇沉淀法许多无机化合物可溶于多元醇，由于多元醇具有较高的沸点，可大于100，因此可用高温强制水解反应制备纳米颗粒。（4）沉淀转化法本法依据化合物之间溶解度的不同，通过改变沉淀转化剂的浓度、转化温度以及表面活性剂来控制颗粒生长和防止颗粒团聚。沉淀转化法工艺流程短，操作简便，但制备的化合物仅局限于少数金属氧化物和氢氧化物。,软化学基本反应过程,沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。存在于溶液中的离子A和B结合，形成晶核，由晶核生长和在重力的作用下发生沉降，形成沉淀物。沉淀物的粒径取决于核形成与核成长的相对速度。即成核速度速度和成长速度，那么生成的颗粒数就少，单个颗粒的粒径就变大。,例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：(NH2)2CO+3H2O2NH4OH+CO2该反应在内部生成了沉淀剂NH4OH。,在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时，即使沉淀剂的含量很低，不断搅拌，沉淀剂浓度在局部溶液中也会变得很高。均匀沉淀法是不外加沉淀剂，而是使沉淀剂在溶液内缓慢地生成，消除了沉淀剂的局部不均匀性。,均匀沉淀法（缓释作用）：,Zn,Fe,Cu等离子,C6H12N4,（1）水溶液还原法采用水合肼、葡萄糖、硼氢化钠(钾)等还原剂，在水溶液中制备超细金属粉末或非晶合金粉末，并利用高分子保护剂PVP(聚乙烯基吡咯烷酮)阻止颗粒团聚及减小晶粒尺寸。其优点是获得的粒子分散性好，颗粒形状基本呈球形，过程可控制。（2）多元醇还原法该工艺主要利用金属盐可溶于或悬浮于乙二醇(EG)、一缩二乙二醇(DEG)等醇中，当加热到醇的沸点时，与多元醇发生还原反应，生成金属胶体，通过控制反应温度或引入外界成核剂，可得到纳米级粒子。,化学还原法,化学还原法制备胶体金属,原料,胶束（O/W）、反胶束（W/O）微乳结构示意图,写出几个属于材料领域的外文期刊名称（至少5个）。2.例举合成石墨烯的常用方法（至少5种），简要说明其优势，不足。3.一篇论文的主要构成部分。4.下图为某同学合成MoS2装置的示意图，请写出其所属的合成方法以及发生的反应。,5.什么是微乳液？通常可分为几类？并指出哪类微乳液常用于纳米材料合成。,6、石墨烯的层数和质量对其性能有很大影响，给出石墨烯的层数和质量的表征方法,7、请说明CVD和PVD方法的异同；,Inatypicalsynthesis,Zn(Ac)2andHexamethylenetetraamine(HMT)withmolarratioof1:2weredissolvedinto40mLofwater.Thesolutionwaspretreatedinanultrasonicwaterbathfor30min,andthentransferredtoa50mLTeflon-linedstainlesssteelautoclave.Afterheatingat150Cfor8handnaturallycooledtoroomtemperature,theresultingsuspensionwascollectedbycentrifugation,thenthoroughlywashedwithdistilledwaterandethanol,andnallydriedat70Cinair.Forfurtherinvestigation,someoftheas-preparedsampleswereimmersedinethanolandtreatedintheultrasonicwaterbathfor2h,andsomewereann