纳米材料复习整理完结版

1、纳米材料复习整理完结版1、什么是纳米材料？其内涵是什么？（从零、一、二、三维考 虑）广义地，纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 或由它们作为单元构成的材料。几十个到几万个原子的纳米颗粒（零维）一维量子线（线、 管、棒、电缆）二维量子面（超薄膜,ultrathin films）三维纳米固 体（体材料，bulk materials）2、纳米材料的四大效应是什么？对每一效应举例说明。小尺寸效应：指纳米粒子尺寸减小，体积缩小，粒子内的原子 数减少而造成的效应。举例：小尺寸的Au/TiO2具有低温氧化催化 活性。表面效应：粒径逐渐接近于原子直径时，表面原子的数目及其 作用不能忽略，这时晶粒

2、的表面积、表面能和表面结合能等都发生了 很大的变化，人们把由此而引起的种种特异效应通称为表面效应。举例：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒子暴露在 空气中会吸附气体，并与气体进行反应。量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子 费米面附近电子能级由准连续变为离散能级的；即可看作由连续能级 变成不连续能级的现象称为纳米材料的量子尺寸效应。举例：在某 一温度下，半径为纳米级的Ag变成半导体或者绝缘体宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该 粒子仍能穿越这一势垒。1宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行 信息存储的时间极限。举例：。5库伦阻塞效应：3、纳米材料的常用的

3、表征方法有哪些？答：透射电子显微镜（TEM），扫描电子显微镜（SEM），原子粒显微镜（AFM）X射线衍射仪（XRD）,比表面积测定仪光谱分析：红外光谱，紫外光谱，拉曼光谱等。用来直接观察材料形态的SEM、TEM、AFM对所测定的样品 有哪些特定要求？从它们的图像中能够得到哪些基本信息？三者都是固体样品。要求：TEM:超薄切片SEM：要求样品表面导电，如不导电则需镀白金、黄金或碳AFM： 样品要求表面较平整，过于凹凸针尖易断。提供的信息：TEM:晶粒大小与分布，包括晶界，甚至能看到晶 格条纹SEM:颗粒的大小与分布AFM:主要观察薄膜表面粗糙度纳米颗粒的高表面活性有何优缺点？如何利用？优点:表面

4、活性高可以吸附储氢.制备高效催化剂实现低熔 点材料缺点:容易吸附团聚容易失活易被氧化而燃烧。应用： 表面吸附储氢、制备高效催化剂、实现低熔点材料等。在纳米颗粒的气相合成中涉及到哪些基本环节？气相合成大 致可分为哪四种？气相成核理论的机制有哪两种？a在纳米微粒的气相法合成中，涉及过饱和蒸气的产生、粒子成 核和长大、团聚、凝结、转移和收集等过程b蒸发法、溅射法、化学气相反应法和化学气相凝聚法c （1） 蒸气的异相成核：以进入蒸气中的外来离子、粒子等杂质或固体表面 上的台阶等缺陷为成核中心，进行微粒的形核及长大。（2）蒸气的均相成核：无任何外来杂质或缺陷的参与，过饱和 蒸气中的原子因相互碰撞而失去动

5、能，因小范围内温度和物质浓度不 同，开始聚集成小核。当小核半径大于临界半径Rc时就可以成核生 长，最终形成微粒。7.溶胶-凝胶法制备纳米颗粒的基本过程是怎样 的？过程：前驱体+溶剂-均匀溶液-在一定条件下溶质水解/醇解- 水解产物（缩合聚集）1nm左右的胶体粒子（溶胶）溶胶粒子（聚 合生长）-凝胶（SSG法（溶液一溶胶一凝胶法）】-凝胶陈化、干 燥、焙烧去除有机成分，最后得到所需的无机纳米微粒。用溶胶-凝胶技术结合碳纳米管的生长机理，可获得密度不同 的碳纳米管阵列（也叫纳米森林），简要阐述其主要步骤及如何控制 碳纳米管的分布密度？步骤：制备FeCl3-SiO2溶胶溶液做成薄膜（浸渍提拉法或悬浮

6、法）用氢气将Fe3+还原 成为Fe通入含碳的烃类，CNTs催化生长控制：通过控制FeCl3的浓度来改变Fe的含量；改变H2的还原 温度来改变Fe纳米晶的大小，及控制气流量。改变条件可制备不同晶粒大小的二氧化钛，下图分别为两种晶 粒尺寸不同的二氧化钛的XRD图与比表面积数据。请用Scherrer方 程、BET比表面积分别估算这两种二氧化钛的晶粒尺寸（XRD测试时 所用的？=1.5406?，锐钛矿相二氧化钛的密度是3.84 g/cm3）（默写 出公式并根据图中的数据来计算）。氧化物或者氮化物纳米材料具有许多特殊的功能，请以一种 氧化物或者氮化物为例，举出其三种主要的制备方法（用到的原料、 反应介质

7、、主要的表征手段）、主要用途（与纳米效应有关的用途）、 并介绍这种物质的至少两种晶相。答：氧化钛TiO2俗称钛白粉，它主要有两种结晶形态：锐钛型 （A型）和金红石型（R型）（1）制备方法四氯化钛水解法原料：四氯化钛 反应介质：水主要表征手段：XRD （看晶相），SEM （看表面微观结构，颗粒大 小与分布），TEM （看晶粒大小）气相法原料：金属钛、钛的醇盐或无机盐反应介质：H2/O2主要表征手段：XRD （看晶相），TEM （看晶粒大小）溶胶-凝 胶法原料：酞酸丁酯反应介质：乙醇主要表征手段：XPS （看表面化学态），SEM （看表面微观结构， 颗粒大小与分布），TEM （看晶粒大小），AFM

8、 （看表面形貌，计算表 面粗糙度）（2）主要用途：光催化材料，太阳能电池，污水处理用太阳能 光反应器，空气净化器，防雾及自清洁涂层，抗菌材料（3）锐钛矿：构成锐钛矿的八面体通过共顶点的方式连接成一 张网。八面体层之间通过共边的方式而构成三维网络。这样，每4个 八面体层，相同的结构就会重复一次。金红石：以Ti-O八面体的排列看，金红石结构由Ti-O八面体以 共棱的方式排列成链状，晶胞中心的链和四角的Ti-O八面体链的排 列方向相差90。链与链之间是Ti-O八面体以共顶相连。举出五种碳的纳米材料，阐述其一维材料与二维材料的结构 特点、用途。答：纳米石墨石墨烯富勒烯（C60）碳纳米管纳米 金刚石薄膜

9、 其中石墨烯是二维结构，碳纳米管是一维结构。一维 材料：碳纳米管结构特点：六边形网格翻卷而成的管状物，管子两端一般有含五 边形的半球面网格封口。用途：碳纳米管超级电容器、碳纳米管储 氢材料、碳纳米管吸波剂、碳纳米管异质结构。大规模集成电路。 二维材料：石墨烯结构特点：sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂 窝状六角平面晶体。原子厚的碳薄膜片，C-C键之间以sp2键相连。用途：透明导电薄膜、液晶显示材料、晶体管集成电路。12.简 述纳米材料的力学性能、热学性能与光学性能有怎样的变化？力学性能：由于纳米晶体材料由很大的表面积/体积比，杂质在 界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能

10、，强度变低，塑 性变好，韧性变好。热学性能：纳米微粒由于颗粒小，表面能高，比表面原子数多， 活性大。因此，熔点降低，烧结温度降低、晶化温度降低。光学性能： 纳米颗粒存在量子尺寸效应和界面效应；宽频 带吸收：对可见光反射率低；蓝移现象：吸收波向短波移进；纳 米微粒发光:尺寸小于某定值时，特定波长激发下发光;在溶胶中， 胶体的高分散性和不均匀性使其具有特殊的光学性质。13.什么叫化 学气相沉积法，它与外场结合又可衍生出哪些方法？简述VLS机制。 答：（1）化学气相沉积法，是指反应物经过化学反应和凝结过程，生 成特定产物的方法。（2）衍生方法:等离子体增强CVD法（PECVD）， 微波CVD法（MW

11、CVD），激光辅助CVD法（LCVD），超声波CVD法 （UWCVD）。（3）VLS生长机理：加热成V冷凝形成L过度饱和 析出生成 S以制备CNTs为例，在8001000C。的高温下呈液态的催化剂微 粒是反应的活性点，它传输CNTs生长原料，吸收气体中的碳原子簇 直至过饱和状态，过饱和的碳原子簇沉淀析出形成CNTs。纳米半导体颗粒具有光催化性能的主要原因是什么？光催 化有哪些具体应用原因： 半导体纳米颗粒粒径的减小使量子尺寸效应增强、能 隙增大，价带电位变得更正、导带电位变得更负，使光生电子一空穴 对的还原一氧化能力提高，增强了催化降解有机物的活性；对半 导体纳米颗粒而言，其粒径通常小于空间电荷层的厚度，因此可忽略 空间电荷层的影响，光生载流子可通过简单的扩散运动从颗粒的内部 迁移到表面，与电子给体或受体发生氧化或还原反应。粒径的减小使 光生电子一空穴扩散到表面的时间减少，电子一空穴的分离效果提高、 在颗粒内部的复合概率下降，从而使光催化活性增强； 在光催化 反应体系中，反应物被吸附在催化