化学与纳米材料.docx

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1、化学与纳米材料摘要：颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料。 纳米材料科技是 21 世纪科技产业革命的最重要内容之一，是可以与产业革命相比较的，它是高度穿插的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学很多实例说明，化学是纳米材料学的根底，而纳米材料的进展，也在不断推动着无机化学、物理化学、有机化学、超分子化学和生物化学等化学分支 的进步。关键词：无机纳米粒子；纳米材料构造；纳米材料热力学；碳纳米管。目前世界经济进展已经进人了一个的历史阶段，即学问经济时代。在学问经济时代， 高科技产业成为经济增长的第一支柱产业。有人曾经推想在21 世纪纳米材料技术将成为超过网络技术和基因技术的“打算性技

2、术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。而纳米材料的进展离不开化学的支持，同时也促进了化学的进展。化学与纳米材料的综合应用制造了科学奇迹，推动了科学进展，便利了日常生活。一、纳米材料为化学争论开拓了一个的层次。纳米材料(nanometer material)，是指其构造单元的尺寸介于 1 纳米100 纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质由于强相干所带来的自组织使得性质 发生很大变化。纳米材料科技是 21 世纪科技产业革命的最重要内容之一。由于尺寸的转变， 其具有独特的构造和性能，与其相关的化学争论也发生了很大转变，进入了一个的层次。纳米材料与化学严密关联的性能：1. 热学

3、性能熔点降低纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3 颗粒膜对太阳光有猛烈的吸取作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。开头烧结温度降低晶化温度降低2. 光学性能宽频带强吸取蓝移现象纳米微粒发光丁达尔现象拉曼散射变化纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过把握粒径和气孔率而加以准确把握，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸取光谱一般存在蓝移现象，其光吸取率很大，所以

4、可应用于红外线感测器材料。3. 催化性能比外表积很大，增加了催化剂吸附反响物的力气。吸取光谱吸取带边蓝移和半导体催化剂光催化活性提高。粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电子从内部集中到外表的时间削减，提高了光致电荷分别的效率。纳米粒子优于大块物质催化力气的理由是在其外表积相对增大，也就是超微粒子的外表布满了阶梯状构造，此构造代表具有高外表能的担忧定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而供给了大外表的活性原子。纳米材料具有特别的物理化学效应：4. 量子尺寸效应量子尺寸效应-是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级四周的电子能级由准连 续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程

5、度大于热能、光能、电磁能的变化时， 导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。由及可得又由和得到5. 外表效应引发性质：外表原子特点：（1） 原子配位不满，多悬空键（2） 高外表能，高外表活性（1） 导致外表原子输运构型变化 -催化（2） 电子自旋构象能谱变化 -光学性能球形颗粒的外表积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比外表积外表积体积与直径成反比。随着颗粒直径变小，比外表积将会显著增大，说明外表原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1 微米的颗粒外表效应可无视不计，当尺寸小于0.1 微米时，其外表原子百分数激剧增长，甚至 1 克超微颗粒外表

6、积的总和可高达 100 米 2，这时的外表效应将不容无视。二、化学为纳米材料制造了丰富的争论对象。化学反响是诸多纳米材料制备的根本手段。形形色色的化学反响可以制备极多种纳米材料，拓宽了相关争论领域，丰富了争论对象。以下是常见纳米材料种类及常见应用材料的简介。1.无机纳米膜纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄 膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化如汽车尾气处理材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。2.纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在 100 纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏

7、观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和周密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化 剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等；人体修复材料；抗癌制剂等 。3.纳米固体又叫纳米块体，是将纳米粉末高压成型或把握金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主 要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。由大量纳米微粒在保持表界面清洁条件下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高，因此，与传统材料科学不同，外表和界面不再 往往只被看成为一种缺陷

8、，而成为一重要的组元，从而具有高热膨胀性、高比热、高集中性、 高电导性、高强度、高溶解度及界面合金化、低熔点、高韧性和低饱和磁化率等很多特别特性，可以在外表催化、磁记录、传感器以及工程技术上有广泛的应用。也可指指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于微导线、微光纤材料；型激光或发光二极管材料等。4.碳纳米管碳纳米管具有典型的层状中空构造特征,构成碳纳米管的层片之间存在确定的夹角碳纳 米管的管身是准圆管构造，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微构造单元 组成, 端帽局部由含五边形的碳环组成的多边形构造，或者称为多边锥形多壁构造。是一种具有特别构造径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米

9、量级、管子两端根本上都封口的一 维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保 持固定的距离，约为 0.34nm，直径一般为 220nm。由于其独特的构造，碳纳米管的争论具有重大的理论意义和潜在的应用价值。5.C60碳纳米管图片碳原子的三个 键不是共平面的，键角约为108或 120，因此整个分子为球状。化学性质优良，可发生多种化学反响：周环反响；加氢复原羟基化反响；氧化复原反响；加成反响；亲电加成配位反响；内嵌反响；反加成；与金属的反响。此外，还有颜色反响即 C60 可以溶于二硫化碳中，颜色呈紫红色。C60 分子是一种由 60 个碳原子构成的分子，它形似足球，

10、因此又名足球烯。C60 是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60 个顶点和 32 个面，其中 12 个为正五边形，20 个为正六边形。其相对分子质量为720。处于顶点的碳原子与相邻顶点的碳原子各用sp2 杂化轨道重叠形成 键，每个碳原子的三个 键分别为一个五边形的边和两个六边形的边。除此之外，还有多种纳米材料，比方二元无机化合物中一些重要的纳米材料；硫化物和 硒化物纳米材；氧化物纳米材料；孔二氧化硅；沸石；钙钛矿类纳米材料；钙钛矿型纳米复合氧化物；协作物纳米材料。三、化学与纳米材料联手制造奇迹1. 信息技术.比方纳米半导体的应用，半导体硬件呈指数级实现更小、更快速和更廉价，是信息技术进步的

11、根底。到 2023 年，将实现 20 25 微米的规模，从而大大降低计算本钱，使在消费产品、器具和环境中普遍设置嵌入式传感器和计算系统成为可能。到2025 年，纳米材料(如 “量子半导体”)能够开头对化学标识实现变革，使药物觉察、血液化验、基因测定和其他生物应用的快速实现成为可能。2. 环境纳米材料在环境保护领域中由格外广泛的应用进展及环境污染物在纳米材料外表的光 催化降解机理，纳米材料在降解化工废水、农药废水、染料废水、含油废水、造纸废水等有机废水和无机废水、自来水净化、大气污染治理等方面都有应用。该材料在自清洁涂料、光 催化消毒剂、吸取紫外线等方面也有应用。但是，目前纳米材料在应用领域中存

12、在的缺乏。不过，我们可以展望合成出对可见光有高响应率的光催化剂以及和传统污水处理技术相结合的惊异前景。3. 能源纳米材料在节能环保、进展能源上有重大功能。最制造出的纳米材料，单晶构造的Ag3PO4 亚微米立方体，其外表完全由100晶面构成，具有规整的特别边角构造的8 个尖 角及 12 条棱边。通过转变银氨络离子中的Ag+:NH3 配比，可以调整Ag3PO4 晶体的形貌、晶面及构造。此型单晶亚微米立方体具有比球形Ag3PO4 晶体更高的光电转换性能。4. 纳米与化学有用化的推想假设说,将来昆虫、鸟类、甚至微型机器人将具有人类的品性;假设说,将来人类将象鱼一样能自由地在水下呼吸,你确定不会信任,认

13、为这是科学梦想。然而,科学家们说,只要借助纳米技术便可消灭这个奇迹。完毕语：纳米科学技术与纳米材料是一门兴的学科和的领域，它不仅仅在化学支持下快速进展，也为化学供给了的进展时机。愈多愈多的大化学家对纳米材料以至于整个纳米科技产生了深厚兴趣，投身于纳米的科技争论中来，可以推想将来化学与纳米材料的争论前景会更加宽阔。参考文献：1 Swlli E, Morris S. for water purificationJ. Water Res, 1999, 33(8): 5-7. 2 李泉， 曾广斌. 纳米粒子J. 化学通报, 1995, 6: 29-31.3 李良果. 纳米粒子构造分析J. 化工型材料, 1991, 19(12) : 12-13.4 唐有祺，王夔.化学与纳米社会J.北京：高等教育出版社.223.5 马荣萱, 李继忠. 纳米技术及其材料在环境保护中的应用J.环境科学与技术, 2023, 29(7): 112-115.