2022年纳米知识点与答案.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是讨论在千万分之一米10 7到十亿分之一米 10 9 米内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范畴内对原子、分子等进行操纵和加工的技术,又称为纳米技术；2、纳米材料的定义把组成相或晶粒结构的尺寸掌握在 即三维空间中至少有一维尺寸小于100 纳米以下的具有特别功能的材料称为纳米材料；100 nm 的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料；“ 功能” 概念,即“ 量子尺寸效应”；3、纳米材料五个类（维度）0 维材料, 1 维材料, 2 维材料,体相纳米材料,纳米孔材料4、0、1、 2 维材料定义、例子0 维材料尺寸为纳米级 100 nm以下的颗粒状物质；富勒烯、胶体微粒、半导体量子点1 维材料线径为 1100 nm 的纤维 管；纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝2 维材料厚度为 1 100 nm 的薄膜；薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜5、纳米材料与传统材料的主要差别尺寸：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上；比如说纳米尺度的颗粒,或者是分子膜的厚度在纳米尺度范畴内；性能：其次、由于量子效应、界面效应、表面效应等,使材料在物理和化学上表现特别异现象；比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料；6、金属纳米粒子随粒径的减小,能级间隔增大7、与块体材料相比,半导体纳米团簇的带隙展宽,展宽量与颗粒尺寸成反比8、纳米材料的四大基本效应尺寸效应,介电限域效应,表（界）面效应,量子效应9、什么是量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级邻近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO ）和最低未被占据分子轨道能级（ LUMO ）,能隙变宽的现象,均称为量子尺寸效应；10、 什么是小尺寸效应当超细颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特点尺寸相当或更小时,晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层邻近原子密度减小,导致声、光、电、磁、热、力学等特性出现新的小尺寸效应；11、 什么是表 界面效应纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例；由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的化学活性,催化活性, 吸附活性；表面效应是指纳米粒子表 的性质上的变化；界面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起12、 什么是宏观量子隧道效应名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 微观粒子具有贯穿势垒的才能称为隧道效应；近年来,人们发觉一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,故称为宏观量子隧道效应；13、 什么是库仑堵塞效应当体系的尺度进入到纳米级 一般金属粒子为几个纳米,半导体粒子为几十纳米 ,体系电荷是“ 量子化” 的,即充电和放电过程是不连续的,充入一个电子所需的能量 Ec 为e2/2C,e 为一个电子的电荷,C 为小体系的电容,体系越小,C 越小,能量 Ec 越大；我们把这个能量称为库仑堵塞能；换句话说,库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能,这就导致了对一个小体系的充放电过程,电子不能集体传输,而是一个一 个单电子的传输；通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应；14、 纳米微粒熔点降低的缘由 与常规粉体材料相比,由于纳米微粒的颗粒小,其表面能高、比表面原子数多；这些表 面原子近邻配位不全,活性大, 以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的 内能小得多,这就使得纳米微粒的熔点急剧下降；15、 烧结温度比常规粉体显著降低的缘由所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形,然后在低于熔点的温度下使这些粉末相互结合成块,密度接近常规材料的最低加热温度；纳米粒子尺寸小,表面能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面邻近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没；因此,在较低温度下烧结就能达到致密化目的,即烧结温度降低；16、 什么是宽频带强吸取大块金属具有不同颜色的金属光泽,说明它们对可见光范畴各种颜色 波长 的光的反射和吸取才能不同；而当尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米微粒几乎都呈黑色；它们对可见光的反射率极低,而吸取率相当高；例如,Pt 纳米粒子的反射率为 1, Au 纳米粒子的反射率小于 10；这种对可见光低反射率,强吸取率导致粒子变黑；17、 纳米材料的红外吸取谱宽化的主要缘由1 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有肯定分布,不同颗粒的表面张力有差异,引起晶格畸变程度也不同；这就导致纳米材料键长有一个分布,造成带隙的分布,这是引起红外吸取宽化的缘由之一；2 界面效应：界面原子的比例特别高,导致不饱和键、悬挂键以及缺陷特别多；界面原子除与体相原子能级不同外,相互之间也可能不同,从而导致能级分布的展宽；与常规大块材料不同,没有一个单一的、择优的键振动模,而存在一个较宽的键振动模的分布,在红外光作用下对红外光吸取的频率也就存在一个较宽的分布；18、 什么是纳米材料吸取光谱的蓝移与大块材料相比, 纳米微粒的吸取带普遍存在 19、 纳米材料吸取光谱蓝移的缘由“ 蓝移” 现象, 即吸取带移向短波长方向；1 量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽,从而导致光吸取带移向短波方向；Ball 等的普适性说明是：已被电子占据的分子轨道能级HOMO 与未被电子占据的分子轨道能级 LUMO 之间的宽度 能隙 随颗粒直径的减小而增大,从而导致蓝移现象；这 种说明对半导体和绝缘体均适用；2 表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变,晶格常数变小；对纳米氧化物和氮 化物的讨论说明, 第一近邻和其次近邻的距离变短,键长的缩短导致纳米颗粒的键本征 振动频率增大,结果使红外吸取带移向高波数；20、 什么是纳米材料吸取光谱的红移现象名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 在一些情形下,当粒径减小至纳米级时,可以观看到光吸取带相对粗晶材料的“ 红移”现象,即吸取带移向长波长；21、 金属纳米颗粒材料电阻增大缘由 纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的奉献特别大,当尺寸特别小时,这种贡 献对总电阻占支配位置,导致总电阻趋向于饱和值,随温度的变化趋缓；当粒径低于临 界尺寸时, 量子尺寸效应造成的能级离散性不行忽视,最终温升造成的热激发电子对电 导的奉献增大,即温度系数变负；22、 纳米材料的超顺磁性及缘由铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到肯定临界值时,进入超顺磁状态； 其缘由是： 在小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上,易磁化方向做无规律的变化 定律；,结果导致超顺磁性的显现； 此时磁化率不再听从居里外斯23、 纳米材料的高矫顽力及缘由纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时,通常出现高的矫顽力；起源有两种模型：1 一样转动模型；2 球链反转磁化模型；前者的说明是：当粒子尺寸小到某一尺寸时,每个粒子就是一个单磁畴；例如 Fe 的单磁畴临界尺寸为 12nm,Fe3O4 为 40nm；每个单磁畴的纳米粒子实际上成为一个永久磁铁,要使该磁铁去磁,必需使每个粒子整体的磁矩反转,这需要很大的反向磁场,因此具有较高的矫顽力；该模型猜测值通常偏高；球链模型认为,由于净磁作用球形纳米 作为理论推导的前提；24、“ 摔不碎的陶瓷碗” 的缘由Ni 粒子形成链状,以此"陶瓷材料在通常情形下呈脆性,由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性；由于纳米材料具有较大的界面,界面的原子排列是相当纷乱的,原子在外力变形的条件下很简洁迁移,因此表现出甚佳的韧性与延展性；25、 纳米材料较高的化学活性和催化活性的缘由由于纳米材料的比表面积很大,界面原子数很多,界面区域原子扩散系数高,而表面原子配位不饱和性将导致大量的悬键和不饱和键等,这些都使得纳米材料具有较高的化学活性,很多纳米金属微粒室温下在空气中就会被剧烈氧化而燃烧；将纳米 Er 和纳米 Cu 粒子在室温下进行压结就能够发生反应形成CuEr 金属间化合物,而很多催化剂的催化效率随颗粒尺寸减小到纳米量级而显著提高,同时催化挑选性也增强；其次章 1、什么是光催化纳米半导体材料在光的照耀下,通过把光能转化为化学能,促进化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）降解的过程称为光催化；2、光照耀纳米 TiO2 的反应（可用反应式表示）名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3、光生空穴在光催化剂表面发生的氧化仍原反应：4、光生电子在光催化剂表面发生的氧化仍原反应：5、纳米 TiO2 半导体粒子产生光催化作用而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性的缘由与体相材料不同, 纳米半导体材料可以利用太阳能进行光催化反应,例如：粒径为 10nm的 TiO2 半导体粒子,对于光催化有机物显示出高效率的量子效率,而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性（1）纳米半导体粒子的量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立能级,能隙变宽；纳米半导体粒子获得了更强的仍原及氧化才能,从而产生了光催化性能；（2）运算说明,在粒径为 1 m 的 TiO2 粒子中,电子从体内扩散到表面的时间约为100ns；而在粒径为 10nm 的微粒中扩散时间仅为 10ps,粒径越小,电子与空穴的复合几率越小,电荷分别成效越好,光催化活性提高；6、纳米 TiO2 光触媒作用的应用有哪些纳米 TiO2 光触媒灭蚊器纳米二氧化钛具有催化性质,它可以降解汽车 尾气7、纳米 TiO2 光催化降解氧化有机物的产物是什么降解为小分子,直至变成 CO2 和 H2O 8、提高 TiO2 光催化效率的途径纳米 TiO2 光催化剂被光辐射激发产生的电子空穴对虽然具有很高的氧化才能,但在实际应用中存在一些缺陷：光生载流子 h+,e-很易重新复合, 例如在 TiO2 表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9s 的时间内完成,影响了光催化的效率；因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生电子-空穴的分别效率,抑名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 制电子空穴的重新结合；目前光催化剂的改性讨论主要针对TiO2 进行金属离子掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化、表面超强酸化等；9、纳米 TiO2 中掺杂过渡金属离子提高光催化活性的缘由 当在半导体中掺杂不同价态的过渡金属离子后,半导体的光催化性质被转变；从化学观 点看,金属离子是电子的有效接受体,可捕获导带中的电子；由于金属离子对电子的争夺,削减了TiO2 表面光生电子与空穴的复合,从而使TiO2 表面产生了更多的·OH 和O2-,提高了催化剂的光催化活性；10、 在纳米 TiO2 光催化剂的表面沉积贵金属的两个作用是什么有利于光生电子和空穴的有效分别以及降低仍原反应质子的仍原、溶解氧的仍原的超电压； 贵金属修饰 TiO2 通过转变体系中的电子分布,其光催化活性；影响 TiO2 的表面性质, 进而改善11、 详述 CdS-TiO2 复合体系提高光催化效率的过程（可以加图示形式）CdS 的带隙能为 2.5eV, TiO2 的带隙能为 3.2eV；当以足够的能量辐射时, CdS 和 TiO2同时发生电子激发,由于两者导带与价带的差异,光生电子将集合在 TiO2 的导带上,而空穴就集合在 CdS 的价带上,使得光生载流子得到有效的分别,提高了光催化性能 ;当激发能不足以激发光催化剂中的 TiO2 时,却能激发 CdS,由于 TiO2 导带比 CdS 导带电位高,使得 CdS 上受激产生的电子更易迁移到 TiO2 的导带上,激发产生的空穴仍留在 CdS 的价带, 这种电子从 CdS 向 TiO2 的迁移有利于电荷的分别,从而提高光催化的效率；分别的电子及空穴可以自由地与表面吸附质进行交换；12、 列举气相法制备纳米TiO2 粉体的五种方法,并写出反应式名师归纳总结 TiCl4 气相氢火焰水解法TiCl4 （g）2H2g O2 TiO2s 4HClg 第 5 页,共 9 页TiCl4 气相氧化法TiCl4 g +O2 g TiO2 s + Cl2 g 钛醇盐气相分解法nTiOC4H9R4 g nTiO2 s + 2nH2O g + 4nC4H8 g 钛醇盐气相水解法TiOR4 g + 4H2O g TiOH4 s +4ROH g TiOH4 s TiO2 · H2O s + H2O g TiO2 ·H2O s TiO2 s + H2O g - - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 物理气相法13、 列举液相法制备纳米 TiO2 粉体的五种方法水解法、溶胶 -凝胶法、微乳液法、水热反应法、模板法14、表达水解法制备纳米 TiO2 粉体的过程将 TiCl4 和钛醇盐溶液在肯定条件下水解生成氢氧化物或水合氧化物沉淀,经加热分解后可得到 TiO2 纳米粒子；利用这种方法合成的纳米粉体,颗粒分布匀称,性能优异,纯度高,外形易掌握；15、 表达溶胶 -凝胶法 制备纳米 TiO2 粉体的过程以钛醇盐为原料,无水乙醇为有机溶剂,制得匀称溶胶,加入肯定量的酸,起抑制水解的作用,再浓缩成透亮凝胶,经干燥热处理即可得 TiO2 纳米粒子16、 表达溶胶 -凝胶法 制备纳米 TiO2 薄膜的过程般选取钛的有机盐（如钛酯）或无机盐（如TiCl4 ）作为原料,将其溶于低碳醇中,然后在室温下加入到中强酸度的水溶液中,搅拌下水解制备 TiO2 溶胶,然后采纳浸渍提拉或旋涂法在基体上制备TiO2 薄膜；它具有制备温度低,工艺简洁,不需要昂贵的设备,可制备多组分混合匀称的薄膜,并且得到的薄膜颗粒度匀称,纯度高；17、分析溶胶 -凝胶法 制备纳米 TiO2 粉体和薄膜的区分18、 列举制备纳米 TiO2 薄膜的五种方法 溶胶凝胶法、磁控溅射法、化学气相沉积法、液相沉积法、电沉积法19、纳米 TiO2 制备技术要点和难点国际上纳米TiO2 的价格为 3040万元 /t,其成本大致是销售价格的2/5,原料和工艺路线的挑选是降低生产成本的关键因素；纳米 TiO2 的晶型和粒度掌握技术；金红石型纳米 TiO2 的表面处理技术；纳米 TiO2 应用分散技术；纳米 TiO2 应用功能的提升技术：纳米 TiO2 产业化成套技术；第 3 章 碳材料 1、C60 的结构C60 属于碳簇（ Carbon Cluster）分子,. 由 20 个正六边形和12 个正五边形组成的球状 32 面 体,直径 0.71nm,其 60 个顶角各有一个碳原子；. C60 分子中碳原子与相邻的 3 个碳原子形成两个单 键和一个双键；五边形的边为单键,键长为 0.1455nm,而六边形所共有的边为双键,健长为 0.1391nm；整个球状分子就是一个三维的大 键,其反应活性相当高；C60 分子对称性很高；每个顶 点存在 5 次对称轴；2、C60 的其它名字富勒烯,巴基球,C60 , 足球烯3、C60 整个球状分子就是一个三维的大 键,其反应活性相当高4、C60 的制备1、激光蒸发石墨法 1985 年 Kroto 等发觉 C60 就是采纳激光轰击石墨 表面,使石墨气化成碳原子碎片,在氦气中碳 原子碎片在冷却过程中形成含富勒烯的混合物；该方法产生的富勒烯含量极少；.2苯燃烧法 1991 年 Howard 等在含 Ar 的氧气中燃烧苯,燃 烧 1kg 苯得到 3gC60和 C70 混合物,富勒烯产率随燃烧条件不同而有所变化；名师归纳总结 3电弧放电法电弧是一种气体放电现象；通过两石墨电极之间的放电,可产生高第 6 页,共 9 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 于 4000的高温,使阳极石墨蒸发,而阴极温度低于石墨蒸发温度；在充有氦气（压力约为 13.3kPa）的放电室内,被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时,形成含有富勒烯的烟灰；5、C60 和 C70 的溶解性芳香族类溶剂, 例如苯、甲苯或者氯化芳香剂等能溶解少量的富勒烯；CS2 也能溶解但不常用,由于剧毒 p-p 键相互作用有助于富勒烯的溶解 富勒烯不溶于水富勒烯呈电负性,因此它在能供应配对电 6、富勒烯是化学缺电仍是富电性质 化学缺电子的溶液中溶解性很好7、如何才能证明金属是内嵌,而不是在笼子的表面呢？气态下用 C2 单元撞击“ 内嵌” 分子,看金属原子是否会离开表面形成单一的巴基球用 STM 或者 TEM 直接观看笼内仍是笼外, 仍能观用同步辐射X 射线散射法； 该法不仅能够观看金属原子是在察金属原子在笼内的详细位置及价态；8、辨别富勒烯的化学反应试验证明金属原子不处于中心位置主要由氢化反应、卤化反应、亲和加成反应、环 加成反应、光化学反应和射线化学反应9、CNT 分类,根据石墨烯片的层数,单壁碳纳米管（ Single-walled nanotubes, SWNT s）： 由一层石墨烯片组成；单壁管典型的直 径和长度分别为0.753nm 和 150 m；又称富勒管 Fullerenes tubes；2 多壁碳纳米管（ Multi-walled nanotubes, MWNT s ）：含有多层石墨烯片；外形象个同轴电缆；其层数从 250 不等,层间距为 0.34± 0.01nm, 与石墨层间距 0.34nm相当；多壁管的典型直 径和长度分别为 230nm 和 0.150 m；10、碳纳米管的制备电弧放电法激光蒸发法 CVD 法 高温分解 C-H 化合物法电弧放电法11、分别 CNT ,常见的分别方法有1. 按长度分别； CNT 的长度不一样,其密度也会不一样；度的的 CNT 采纳离心法可以分别不同长按直径分别； 采纳某些方法, 如光照法, 可以将 CNT 的直径分布限制在某个特定范围内1. 某些硝基盐,如 NO2BF4 或者 NO2SbF6,它只溶解金 属性 CNT；所以利用溶液法也可以分别（但该方法只 适合于直径小于 1.1nm 的 CNT ）2. 2003 年,双向电泳法显现,它是一种能捕获到 80% 以上金属性 CNT 的方法12、 CNT 的化学性质（辨别反应类型） CNT 的基本反应 氧化仍原反应 封闭式或者开放式 CNT 的官能化 侧壁的官能化 CNT 与其他材料的合成 化合物的植入与内壁功能化 CNT 的超分子化学13、 CNT 的应用前景名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧 纳米管做成的“ 纳米秤”碳纳米管制造人造卫星的拖绳 碳纳米管整流 器 场效应晶体管 CNT 的场发射 碳纳米管电视 碳纳米管 cpu 散热器 超级电容器 碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊 愈 CNT 传感器 -物理传感器 CNT 传感器 -化学传感器 DNA 序列的识别 . 传输药物或者疫苗,基因手术 混合催化 储氢材料14、石墨烯结构石墨烯即为“ 单层石墨片”,是构成石墨的基本结构单元；石墨烯是二维的,它具有包括六角元胞,假如有五角元胞和七角元胞就构成石墨烯的缺陷；少量的五角元胞会使石墨烯翘曲； 12个五角元胞会形成富勒烯；碳纳米管被认为是卷成圆筒的石墨烯；碳纳米管是碳的一维晶体结构；石墨烯是构成其他 15、石墨烯特性 最薄最轻 载流子迁移率最高 电阻率最低 强度最大最坚硬 导热率最高 16、石墨烯制备维数碳质材料的基本单元；名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 9 页精选学习资料 - - - - - - - - - 1. 选取一块 HOPG（Highly Oriented Pyrolytic Graphite ,高定向裂解石墨）或者 一般的石墨薄片2. 用 Scotch tape（一般的透亮胶）粘在样品上 然后撕开3. 对于石墨薄片,用另外一个透亮胶带多粘几 次,即可得到石墨烯4. 留意, HOPG 得到的一般是单原子层,而石 17、石墨烯的表面功能化步骤墨片简洁获得多原子层 第一与酸或者碱发生反应,使得表面接上 COOH 或者 OH 接着与 SOCl2 反应形成 COCl 族 然后与脂族胺反应以接上长链18、功能化后的石墨烯可溶于水或者其他有机溶液19、石墨烯的应用名师归纳总结 复合材料：高力学性能高电学性能极高电子迁移率高透光率第 9 页,共 9 页电子器件：室温霍尔效应无损迪拉克费米子储能材料：高表面积高电导率- - - - - - -