材料化學 課件 11-3 零維納米材料

高等材料化學納米材料的分類及其特性納米材料可以從尺度、物相、導電性能等不同視角進行分類。在納米科學研究中通常按維度分為以下四類：

零維納米材料：在空間三維方向上都為納米尺度，如納米顆粒等；

一維納米材料：在空間的某二維方向上都為納米尺度，如納米線、納米管、納米棒等；

二維納米材料：在空間的某一維方向上為納米尺度，如納米片、薄膜等；

三維納米材料：主要是由納米晶構(gòu)成的體材料。納米顆粒納米棒納米片納米片組成的微米球納米材料零維納米材料一維納米材料三維納米材料二維納米材料納米粒子納米球納米洋蔥納米粉納米晶粒納米線納米棒納米晶須納米管納米帶納米環(huán)納米薄膜納米殼納米圓盤納米喇叭納米花納米多層膜納米陣列納米多孔材料納米彈簧納米復合材料第一部分零維納米材料零維納米材料是指在三個維度上都進入了納米尺度范圍的材料零維納米材料主要包括：1.團簇（clusters）2.納米顆粒（nanoparticle）零維納米材料原子團簇原子團簇是在20世紀80年代才出現(xiàn)的，它是指幾個至幾百個原子的聚集體（粒徑小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整數(shù)）和碳簇（C60、C70、富勒烯）等。原子團簇的性質(zhì)既不同于單個原子和分子，又不同于固體和液體，而是介于氣態(tài)和固態(tài)之間物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新形態(tài)，常被稱為“物質(zhì)第五態(tài)”。8原子團簇一元原子團簇二元原子團簇（如InnPm、AgnSm等）多元原子團簇（如Vn(C6H6)m等）原子簇和原子簇化合物金屬團簇（如Nan）非金屬團簇碳簇（富勒烯等）非碳簇（如B、P簇等）原子團簇具有碩大的比表面積而呈現(xiàn)出表面或界面效應；幻數(shù)效應；

形狀和對稱性多種多樣“庫倫爆炸”是自然界中的一種與電荷相關的基本相互作用之一。例如當一個金屬球充電以后，電荷與電荷之間的相互排斥作用會導致系統(tǒng)的能量升高。當電荷量超過了臨界值（瑞利不穩(wěn)定極限）時，金屬球會發(fā)生爆炸而分裂成幾個小球，并以此來降低系統(tǒng)的庫侖排斥能。原子團逸出功的振蕩行為等。原子團簇的獨特性質(zhì)原子團簇目前炙手可熱的“足球烯”正是原子團簇的典型代表，當前能大量制備并分離的團簇是C60及其他富勒烯。這種結(jié)構(gòu)與常規(guī)的碳的同素異形體金剛石結(jié)構(gòu)和石墨層狀結(jié)構(gòu)完全不同。而且物理性質(zhì)很奇特。純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導體，適當?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導體。此外，C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性。典型代表金剛石石墨C60原子團簇納米粒子納米粒子(Nano-particle,NP)，一般是指粒度在100nm以下的固體粉末或納米顆粒。納米粒子按組成可分為：無機納米顆粒、有機納米顆粒和有機/無機復合納米粒子。無機納米粒子包括金屬與非金屬(半導體、陶瓷、鐵氧體等），有機納米粒子主要包括高分子和納米藥物。SiO2Au納米粒子納米晶納米粒子SiO2膠體微球PS膠體微球熱學性質(zhì)納米粒子特性相較于常規(guī)粉體納米粒子的：熔點、開始燒結(jié)溫度、晶化溫度均低得多比熱容增加金微粒的粒徑與熔點的關系磁學性質(zhì)納米粒子尺才小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)，即只有在磁場中才表現(xiàn)出磁性納米微粒尺寸大于超順磁臨界尺寸時呈現(xiàn)較高的矯頑力納米粒子的居里溫度隨其粒度的下降而有所下降納米粒子的磁性與它所含的總電子數(shù)的奇偶性密切相關納米Ni微粒升溫過程V(?)隨溫度變化曲線納米粒子特性納米粒子特性光學性質(zhì)寬頻帶強吸收：納米顆粒對紅外線的吸收譜寬化的現(xiàn)象，與塊體材料相比對光吸收能力增強30nm15nm5nm納米粒子特性光學性質(zhì)藍移與紅移現(xiàn)象：納米粒子與大塊材料相比,吸收帶普遍移向短波方向，即“藍移”現(xiàn)象。在一些情況下，粒徑減小至納米級時,可以觀察到光吸收帶相對粗晶材料呈現(xiàn)“紅移”現(xiàn)象,即吸收帶移向長波方向。通常認為，紅移和藍移兩種因素共同發(fā)揮作用，結(jié)果視孰強而定。隨著粒徑的減小，量子尺寸效應導致藍移；而顆粒內(nèi)部的內(nèi)應力的增加會導致能帶結(jié)構(gòu)的變化。電子波函數(shù)重疊加大，結(jié)果帶隙、能級間距變窄，從而引起紅移。納米粒子特性光學性質(zhì)發(fā)光現(xiàn)象：納米粒子的尺才小到一定值時，可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光。納米粒子特性吸附特性吸附是相互接觸的不同相之間產(chǎn)生的結(jié)合現(xiàn)象依據(jù)作用力的不同，可分為物理吸附和化學吸附

物理吸附：依靠吸附劑和吸附相之間的分子間作用力等較弱物理作用而結(jié)合，容易脫附

化學吸附：依靠化學鍵產(chǎn)生較強的吸附，難脫附吸附作用將對納米顆粒的化學性質(zhì)產(chǎn)生許多重要的影響，如提高化學反應程度、促進化學催化和光催化納米粒子特性吸附與團聚納米顆粒相互靠近時，其間的相互作用包括分子間作用力和靜電斥力，由此可分別產(chǎn)生顆粒間相互作用的引力位能和排斥力位能一定條件下，排斥力位能與粒徑平方成反比；引力位能與粒徑成正比因此隨粒徑的減小，排斥力位能減小幅度要遠小于引力位能，總作用能表現(xiàn)為引力位能，顆粒間相互作用表現(xiàn)為引力，因此顆粒很容易發(fā)生團聚，這位納米顆粒的收集和存儲都帶來困難為解決此問題，需對納米顆粒進行表面改性，或?qū)⑵浞稚⒃谌芤褐斜４婕{米粒子特性化學催化催化劑的結(jié)構(gòu)單元絕大多數(shù)為納米顆粒納米顆粒的尺寸小，比表面積大、表面活性中心多，因此具有極高的催化活性例如：納米級的Ni、Cu和Zn粉都是極好的催化劑，可替代昂貴的Pt和Pb30nm的Ni可使催化加氫和脫氫反應提高15倍納米Ni作為火箭固體燃料的反應催化劑，可提高燃燒效率100倍納米級Pt可將乙烯的氧化反應溫度從600℃降為室溫催化劑的粒徑越小，比表面積越大，催化效果越好納米粒子特性光催化納米半導