无机纳米材料

1、第一章纳米材料的基本概念、定义和结构特征：纳米材料是指至少一维在纳米尺度范围内(1-100纳米)的单晶或多晶，或由它们组成的三维空间基本单元的材料。由于晶粒细小，晶界上的原子数量多于晶粒内部的原子数量。产生高浓度的晶界，使得纳米材料具有不同于半粗晶材料的许多性质，例如纳米材料结构范围(零维-三维)的增加的强度和硬度、低密度、高电阻和低热导率、纳米材料的特性、表面效应、体积效应、量子尺寸效应(小尺寸效应)、宏观量子隧道效应、表面效应，固体表面原子和内部原子在许多地方有不同的环境，当粒子直径大于原子直径时，表面能可以忽略。当粒子直径逐渐接近原子直径时，表面原子的数量和功能不可忽略。此时，粒子的比表

2、面积、表面能和表面结合能都发生了很大的变化。由此产生的各种特殊效果称为表面效应。颗粒小，比表面积变化快，表面原子数量增加，表面能高，原子间的配位不足，使得表面原子高度活跃，不稳定，易于结合。体积效应，纳米材料由有限数量的原子或分子组成，改变了无数原子或分子的集体属性和物质本身的属性。这种由体积变化引起的效应称为体积效应。例如，金属纳米粒子和金属块体材料的性质是不同的。量子尺寸效应(small size effect)，当粒子尺寸减小到一定值时，金属费米能级附近的电子能级从连续变为离散。在一定条件下，粒径的变化会导致性能的变化。由较小的颗粒尺寸引起的宏观物理性质的变化变成了小尺寸效应。例如，在粗

3、晶粒下难以发光的间隙半导体材料硅和锗，当晶粒尺寸减小到纳米级时，显示出明显的发光，并且晶粒尺寸越小，光强度越强。细晶强化效应材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增加，电导率发生变化。宏观量子隧道效应是一种基本的量子现象，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，粒子仍然可以穿过势垒。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度和量子相干器件中的磁通量，也具有隧道效应，这被称为宏观量子隧道效应。隧穿效应将是未来电子器件的基础，否则它将限制现有微电子器件的进一步小型化。当电子设备进一步完善时，必须考虑上述量子效应。上述效应使得纳米颗粒具有不同于粗晶体的性质。例如，金属是导体，但是由于量子尺寸效应，纳米金

4、属颗粒在低温下会表现出绝缘性。另一个例子是，在大多数情况下，由于光反射，金属显示出各种美丽的特征颜色，但是金属纳米粒子的光反射能力显著降低，通常小于1%，纳米材料的性质、机械性质、电性质、磁性质、光学性质、化学性质，纳米结构材料的力学性能和力学性能的重要因素：晶界结构、晶界滑移、位错运动。纳米材料晶界原子间隙的增加降低了材料的杨氏模量，增加了材料的硬度。(杨氏模量)是一个物理量，表示材料在弹性极限内的拉伸或压缩强度。在材料的弹性极限内，应力与应变成正比，这个比值称为材料的杨氏模量。晶粒尺寸减小到纳米级，材料的强度和硬度比粗晶材料提高了4-5倍。(铜样品硬度)，电性能、晶界原子体积分数增加，纳米

5、材料的电阻高于类似的粗晶材料。这种现象从单畴粒子的聚集来看，不同粒子的磁矩取向每一时刻都在改变方向。磁性特征与正常顺磁性非常相似，但它们并不相同。因为在正常顺磁性体中，每个原子或离子的磁矩只有几个玻尔磁子，但对于直径为5纳米的特定球形粒子集合体，每个粒子可能包含5000多个原子，并且粒子的总磁矩可能大于10000个玻尔磁子。因此，单畴颗粒聚集体的磁性被称为超顺磁性，并且样品的磁有序状态将随着纳米材料的粒径减小而改变。对于处于粗晶状态的铁磁材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时，矫顽力趋于0并转变为超顺磁性状态。这是因为纳米材料中颗粒的取向是不规则的，所以颗粒的磁距离也是无序的。当小晶粒的磁各向异性能

6、降低到基本等于热运动能时，磁化方向不再固定在易磁化方向，而是不规则变化，导致超顺磁性。磁性、磁热性质在非磁性或弱磁性基质中包含非常小的磁性颗粒。当它处于磁场中时，粒子的磁旋转方向与磁场匹配，这增加了磁有序性并降低了系统的熵。如果这个过程是绝热的，样品的温度就会升高。热性质方面，在纳米材料中，界面原子排列无序，原子密度低，原子间耦合弱，导致纳米材料的比热大于粗晶体。纳米粒子的熔点、烧结温度和结晶温度比常规粉末低得多。(由纳米材料的表面性质决定)，光学性质，宽带强吸收(几乎所有的纳米粒子都显示黑色)蓝移：量子尺寸效应表面效应红移：大的比表面积，大量的界面缺陷，化学性质方面，化学活性高的纳米材料具有

7、大的比表面积，在界面上有大量的原子，在界面的原子区有高的原子扩散系数，以及原子配位的不饱和度，使得纳米材料具有较高的化学活性，如CuEr合成。催化剂的催化效率提高，化学反应性提高等。第二章：纳米氧化物的制备，气相法：物理气相沉积，化学气相沉积，气相氧化，气相热解，气相水解，液相法：直接沉淀法，均相沉淀法，溶胶-凝胶法，有机络合物前驱体法，水热合成法，微乳液法，固相法：气相法，气相氧化法：金属单质或金属化合物氧金属氧化物蒸气纳米颗粒(锌)气相热解：(高温反应区)气体反应物高温分解成氧化物气相热解：液相法、溶胶-凝胶法是以有机或无机盐为原料，在有机介质中进行水解和缩聚反应，使溶液溶胶-凝胶得到凝胶

8、，将凝胶加热或冷冻干燥并烧制得到产品。然而，煅烧和后处理是麻烦的。(例如，Fe2O3)，水热合成法，水热合成是指在100 1000的温度和1 MPa 1 GPa的压力下，在水溶液中通过化学反应合成物质。在高温高压下，一些氢氧化物在水中的溶解度大于相应氧化物在水中的溶解度。氢氧化物溶解在水中，同时分离出氧化物。它的优点是纯度高，分散性好，粒度容易控制。微乳液法，热力学稳定的分散、各向同性、透明或半透明的不混溶液体混合物，由宏观均质和微观非均质组成。可以有效地控制颗粒的粒度和形态，但是单一制剂的数量有限，并且不容易回收，例如，氧化锆(氢氧化锆正丁醇)的制备，纳米氧化物、纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、

9、纳米氧化锌、纳米稀土氧化物和其他纳米氧化物的制备，纳米二氧化硅是极其重要的高科技超细无机新材料之一纳米二氧化硅，俗称“超细白炭黑”，广泛应用于各种行业，如添加剂、催化剂载体、石油化工、脱色剂、消光剂、橡胶增强剂、塑料填料、油墨增稠剂、金属软抛光剂、保温隔热填料、高级日用化妆品填料和喷涂材料、医药、环保等领域。纳米二氧化钛，纳米二氧化钛颗粒通过约10-50纳米并具有非常有价值的光学性质。纳米二氧化钛是金红石型白色疏松粉末，具有较强的紫外屏蔽作用，分散性和耐候性好。可作为紫外线屏蔽剂用于化妆品、功能纤维、塑料、涂料、油漆等领域，防止紫外线的侵入。也可作为高档汽车的面漆，具有随角度变色的效果。国内外

10、合成纳米二氧化钛的主要方法有溶胶-凝胶法、溶胶-凝胶水解法和金属醇盐缩聚法。作为制备纳米粉体的有效方法。粒径在1-100纳米的纳米氧化锌和纳米氧化锌是面向21世纪的新型高功能精细无机产品，表现出许多特殊性能。如非迁移率、荧光、压电、紫外线的吸收和散射等。利用其在光、电、磁、灵敏度等方面的优异性能。气体传感器、磷光体、变阻器、紫外线屏蔽材料、图像记录材料、压电材料、变阻器、高效催化剂、磁性材料、塑料薄膜等。可以制造。其他纳米氧化物的制备，用于一氧化碳/一氧化碳2H反应的超细氧化铜-氧化锌-二氧化硅？第三章纳米复合氧化物的制备及应用、纳米复合氧化物的共沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、微乳液法、喷雾法

11、、固相法纳米复合氧化物的应用、纳米铁氧体、纳米二氧化钛复合氧化物、纳米锂复合材料、纳米稀土复合材料等。共沉淀法、直接沉淀法向金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下沉淀，沉淀经洗涤、热分解等得到超细产品。不同的沉淀剂可以得到不同的沉淀产物。常见的沉淀剂有：NH3H2O、氢氧化钠、碳酸钠、(NH4)2CO3、(NH4)2CO 4等。直接沉淀法简单易行，对设备技术要求低，不易引入杂质，产品纯度高，化学计量好，成本低。缺点是很难清洗原溶液中的阴离子，所得颗粒分布较宽，分散性较差。钛酸铅的制备。金属离子用均匀沉淀法混合均匀后，沉淀剂通过化学反应在整个溶液中缓慢沉淀，从而金属离子共沉淀，经过滤、洗涤、干燥、

12、焙烧后得到纳米复合氧化物。例如铁氧体的制备、纳米复合氧化物的应用、纳米铁氧体纳米二氧化钛复合氧化物、纳米稀土氧化物、纳米锂复合氧化物等纳米复合氧化物，纳米铁氧体是一种以氧化铁为主要成分的纳米复合材料。磁性(超顺磁性低于10mn)吸波性能催化性能，纳米二氧化钛复合氧化物，光催化剂：二氧化钛复合氧化物比单级纯二氧化钛具有更高的光催化活性。(二氧化钛/二氧化硫)紫外线吸收剂的其他用途(滤光等)。)，纳米锂复合氧化物，锂离子电池正极活性材料，例如：二氧化硅、二氧化镍、二氧化锰、三氧化二锂等。在二氧化硅充电期间，锂从复合氧化物中移除并嵌入负极材料中。放电过程正好相反。当锂的浓度在一定范围内变化时，过渡金

13、属的多价性不会影响化合物的结构和形态。纳米稀土复合氧化物及其他纳米复合氧化物，纳米稀土复合氧化物作为荧光材料溶胶凝胶法制备镧钼复合氧化物超细粒子催化剂(对苯甲醛的选择性)，其他无机纳米材料，纳米碳化硅的制备：固-固法，固-液法应用：纳米碳酸钙的制备及应用，纳米碳化硅的制备及应用，纳米碳酸钙的制备及应用，1:碳酸钙的粒度分类；碳酸钙；粒径 5 m的微粉；1-5m细碳酸钙；0.1-1m超细碳酸钙；碳酸钙；超细颗粒尺寸为0.02-0.1 m；根据表面处理剂的不同分类，用偶联剂处理粒径0.02 m的CaCO3，用偶联剂处理的CaCO3，合成碳酸钙的理论研究现状，超细碳酸钙晶体生长的成核机理，超细碳酸钙

14、颗粒表面处理(干法和湿法)的应用进展，超细碳酸钙晶体生长的成核机理，超细碳酸钙晶体生长的几种相关成核机理，结晶接触成核速率是溶液过饱和度和接触能的函数，通常，稀电解质溶液的结晶生长速率是颗粒浓度的抛物线函数。碳酸钙的晶体生长发生在晶体表面的两个部分：一个在晶面的中心，另一个在晶面的边缘。氢氧化钙悬浮液吸收二氧化碳形成碳酸钙。溶液中的瞬时过饱和使碳酸钙大量成核。晶核被吸附在碳酸钙颗粒表面，形成线性中间体。随着碳化反应的进行，线性中间体中的氢氧化钙逐渐溶解，方解石碳酸钙颗粒长大，形成具有一定粒径和形貌的碳酸钙颗粒。碳酸钙颗粒表面处理的表面处理是通过物理或化学方法将表面处理机吸附在碳酸钙表面，形成表面改性层，从而提高碳酸钙颗粒表面处理粉体的表面性能。干燥方法：将碳酸钙粉末放入高速捏合机中，旋转后，加入表面处理剂或分散剂进行表面处理。湿法：通常的方法。氢氧化钙悬浮液吸收二氧化碳形成碳酸钙。超细碳酸钙应用的发展，在橡胶、造纸和塑料中的应用，就