纳米知识点与答案讲解.docx

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1、第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是争辩在千万分之一米(107)到十亿分之一米(109 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进展操纵和加工的技术，又称为纳米技术。2、纳米材料的定义把组成相或晶粒构造的尺寸把握在 100 纳米以下的具有特别功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于 100 nm 的材料或由它们作为根本单元构成的具有特别功能的材料。 “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

2、)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、材料外表相当薄的单层或多层膜 5、纳米材料与传统材料的主要差异尺寸：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。比方说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。性能：其次、由于量子效应、界面效应、外表效应等，使材料在物理和化学上表现格外异现象。比方物体的强度、韧性、比热、导电率、集中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

3、展宽，展宽量与颗粒尺寸成反比8、纳米材料的四大根本效应尺寸效应，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，金属费米能级四周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征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒外表层四周原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现的小尺寸效应。11、什么是表(界)面效应纳

4、米微粒尺寸小，外表能高，位于外表的原子占相当大的比例。由于外表原子数增多， 原子配位缺乏及高的外表能，使这些外表原子具有高的化学活性，催化活性，吸附活性。外表效应是指纳米粒子表(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的性质上的变化。12、什么是宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的力量称为隧道效应。近年来，人们觉察一些宏观量，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

5、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，其外表能高、比外表原子数多。这些外表原子近邻配位不全，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

6、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，外表能高，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，有利于界面四周的原子集中、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到达致密化目的，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围各种颜色(波长)的光的反射和吸取力量不同。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

7、 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，不同颗粒的外表张力有差异，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：界面原子的比例格外高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷格外多。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

8、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“蓝移”现象，即吸取带移向短波长方向。19、纳米材料吸取光谱蓝移的缘由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 等的普适性解释是：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。这种解释对半导体和绝缘体均适用。2) 外表效应：纳米颗粒大的外表张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物的争辩说明，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。

9、20、什么是纳米材料吸取光谱的红移现象在一些状况下，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格外大，当尺寸格外小时，这种奉献对总电阻占支配地位，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无视，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较时，磁化方向就不再固定

10、在一个易磁化方向上， 易磁化方向做无规律的变化,结果导致超顺磁性的消灭。此时磁化率不再听从居里外斯定律。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，通常呈现高的矫顽力。起源有两种模型：(1) 全都转动模型；(2) 球链反转磁化模型。前者的解释是：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。该模型推测值通常偏高。球链模型认为，由于净磁作用球形纳米 Ni 粒子形成链状，以

11、此作为理论推导的前提。24、“摔不碎的陶瓷碗”的缘由“陶瓷材料在通常状况下呈脆性，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混乱的，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外表积很大，界面原子数很多，界面区域原子集中系数高，而外表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猛烈氧化而燃烧。将纳米 Er 和纳米 Cu 粒子在室温下进展压结就能够发生反响形成 CuEr 金属间化合物，而很多

12、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，同时催化选择性也增加。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 的反响可用反响式表示3、光生空穴在光催化剂外表发生的氧化复原反响：4、光生电子在光催化剂外表发生的氧化复原反响：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展光催化反响，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

13、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复原及氧化力量，从而产生了光催化性能。（2） 计算说明，在粒径为 1m m 的 TiO2 粒子中，电子从体内集中到外表的时间约为100ns；而在粒径为 10nm 的微粒中集中时间仅为 10ps，粒径越小，电子与空穴的复合几率越小，电荷分别效果越好，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 H2O8、提高

14、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力量，但在实际应用中存在一些缺陷：光生载流子(h+，e-)很易重复合，例如在 TiO2 外表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，抑制电子空穴的重结合。目前光催化剂的改性争辩主要针对TiO2 进展金属离子掺杂、贵金属外表沉积、半导体复合、外表光敏化、外表超强酸化等。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

15、化学观点看，金属离子是电子的有效承受体，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 外表光生电子与空穴的复合，从而使TiO2 外表产生了更多的OH 和O2-，提高了催化剂的光催化活性。10、在纳米TiO2 光催化剂的外表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复原反响(质子的复原、溶解氧的复原)的超电压。贵金属修饰 TiO2 通过转变体系中的电子分布，影响 TiO2 的外表性质，进而改善其光催化活性。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

16、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，光生电子将聚拢在TiO2 的导带上， 而空穴则聚拢在 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; 当激发能缺乏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外表吸附质进展交换。12、列举气相法制备纳米TiO2 粉体的五种方法，并写出反响式TiCl4 气相

17、氢火焰水解法TiCl4g 2H2(g) O2 TiO2(s)4HCl(g) TiCl4 气相氧化法TiCl4( g ) +O2 ( g) TiO2 ( s) + Cl2 ( g)钛醇盐气相分解法nTi(OC4H9R)4 (g) nTiO2 (s) + 2nH2O (g) + 4nC4H8 (g)钛醇盐气相水解法Ti(OR)4 (g) + 4H2O (g) Ti(OH)4 (s) +4ROH (g)Ti(OH)4 (s) TiO2 H2O (s) + H2O (g)TiO2 H2O (s) TiO2 (s) + H2O (g)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

18、-凝胶法、微乳液法、水热反响法、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，颗粒分布均匀，性能优异， 纯度高，外形易把握。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，制得均匀溶胶，参加肯定量的酸，起抑制水解的作用，再浓缩成透亮凝胶，经枯燥热处理即可得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，然后在室温下参加到

19、中强酸度的水溶液中，搅拌下水解制备TiO2 溶胶，然后承受浸渍 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，可制备多组分混合均匀的薄膜，并且得到的薄膜颗粒度均匀，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，其本钱大致是销售价格的 2/5，原料和工艺路线的选择是降低生产本钱的关键因素；纳米TiO2 的晶型和粒度把握技术； 金红石型纳米TiO2

20、 的外表处理技术； 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 的构造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， 其反响活性相当高。C60 分子对称性很高。每个顶 点存在 5 次对称轴。2、C

21、60 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，其反响活性相当高4、C60 的制备1、激光蒸发石墨法 1985 年 Kroto 等觉察C60 就是承受激光轰击石墨 外表，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。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，可产生高于 4000的高温，使阳极石墨

22、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，因此它在能供给配对电 子的溶液中溶解性很好6、富勒烯是化学缺电还是富电性质化学缺电7、如何才能证明金属是内嵌，而不是在笼子的外表呢？ 气态下用 C2 单元撞击“内嵌”分子，看金属原子是否会离 开外表形成单一的巴基球 用 STM 或者TEM 直接观看 用同步辐

23、射X 射线散射法。该法不仅能够观看金属原子是在 笼内还是笼外，还能观看金属原子在笼内的具体位置及价态。 试验证明金属原子不处于中心位置8、区分富勒烯的化学反响主要由氢化反响、卤化反响、亲和加成反响、环 加成反响、光化学反响和射线化学反响9、CNT 分类，依据石墨烯片的层数，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

24、。 其层数从 250 不等，层间距为 0.340.01nm， 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。 承受离心法可以分别不同长度的的 CNT 按直径分别。承受某些方法，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

25、径小于 1.1nm 的 CNT2. 2023 年，双向电泳法消灭，它是一种能捕获到 80% 以上金属性CNT 的方法12、CNT 的化学性质区分反响类型CNT 的根本反响 氧化复原反响 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 的场放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

26、别 传输药物或者疫苗，基因手术混合催化储氢材料14、石墨烯构造石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的根本构造单元。 石墨烯是二维的，它具有包括六角元胞，假设有五角元胞和 七角元胞则构成石墨烯的缺陷。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构造。石墨烯是构成其他 维数碳质材料的根本单元。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1. 选取一块HOPGHighly 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 墨片简洁获得多原子层17、石墨烯的外表功能化步骤首先与酸或者碱发生反响，使得外表接上COOH 或者 OH接着与 SOCl2 反响形成COCl 族然后与脂族胺反响以接上长链18、功能化后的石墨烯可溶于水或者其他有机溶液19、石墨烯的应用复合材料：高力学性能 高电学性能电子器件：室温霍尔效应 无损迪拉克费米子 极高电子迁移率 高透光率储能材料：高外表积 高电导率