无机合成化学- 纳米材料制备-PPT演示文稿.ppt

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1、研讨式学习，分组做报告研讨式学习，分组做报告就就“锂离子电池材料锂离子电池材料”或或“太阳能电池材太阳能电池材料料”做报告，分别就概况、制备方法（重做报告，分别就概况、制备方法（重点介绍）、展望等方面进行说明，每组报点介绍）、展望等方面进行说明，每组报告时间告时间 5-6min，5人人/组，共组，共18组。组。冷坩埚法，如人工合成氧化锆。因为氧化锆的熔点高（2700），找不到合适的坩埚材料。此时，用原料本身作为“坩埚”进行生长 。主要流程：加入ZrO2粉末和掺杂的离子加热持续熔化数小时逐渐降温冷却退火表征： X射线结构分析 在电磁波谱中，X射线的波长范围为0.00510nm射线 一张粉末衍射图

2、能提供哪些信息？ 获得材料成分、内部原子或分子的结构或形态等信息纳米材料及制备技术2019-10-22人类对客观世界的认识逐渐发展为两个层次：一、宏观领域：肉眼可见的物体 ，无限大到宇宙天体二、微观领域：以原子分子为最大起点，下至无限领域在两者之间为介观纳米概念的提出微米m（10-6米） 亚微米（10-7米）纳米nm（10-9米） 包括纳米范围通常1100nm ，纳米科技：研究的尺寸范围0.1100nm。 1nm1nm等于等于1010个氢原子一个挨一个排起来的长度。纳米是个氢原子一个挨一个排起来的长度。纳米是一个极小的尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从一个极小的尺寸，但它又代表人们认识

3、上的一个新层次，从微米进入到纳米。微米进入到纳米。 纳米材料纳米材料是指显微结构的三维空间中至少有一维空间具有是指显微结构的三维空间中至少有一维空间具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。按材料的性质、结构、性能可有不同的固体和纳米组装体系。按材料的性质、结构、性能可有不同的分类方法。分类方法。 1.纳米微粒纳米微粒 纳米微粒是指线度处于纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不于该几何尺寸的各种粒子聚合体的

4、总称。纳米微粒的形态并不限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，限于球形、还有片形、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，故又被称作超微粒。故又被称作超微粒。 纳米材料及分类2.纳米固体纳米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米角度可将纳米固体划分为

5、纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。3.纳米组装体系纳米组装体系 由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系，也由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是由纳米微粒以及它们组成的纳米叫纳米尺度的图案材料。它是由纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点

6、是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所其特点是能够按照人们的意愿进行设计，整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。沿课题。 纳米材料的主要形态纳米材料的主要形态纳米粒子纳米粒子纳米线纳米线纳米带纳米带纳米膜纳米膜纳米管纳米管纳米固体材料纳米固体材料按照维度划分按照维度划分p 零维纳米材料零维纳米材料( (纳米粒子纳米粒子) )p 一维纳米材料一维纳米材料( (纳米管、线、带等纳米管、线、带等) )p 二维纳米材料二维纳米材料( (二维超薄膜二维超薄膜) )p 三维纳米材料三维纳米材料( (纳

7、米晶纳米晶) )纳米材料的特性纳米材料的特性 1.小尺寸效应 当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本当物质的体积减小时，将会出现两种情形：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，当纳米材料的尺寸与传导电是物质本身的性质也发生了变化，当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，材

8、料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔材料的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化活性及熔点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积点等与普通晶粒相比都有很大的变化，这就是纳米材料的体积效应，亦即小尺寸效应。效应，亦即小尺寸效应。 纳米材料的四大效应 如：小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块如：小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为的纯铁矫顽力约为80A/m80A/m，而当颗粒尺寸减小到，而当颗粒尺寸减小到20nm20nm以下时，以下时，其矫顽力可增加其矫顽力可增加10001000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于倍，若进一步减小其尺寸，

9、大约小于6nm6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。 2 2表面效应表面效应 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。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒径小，表面急剧变大所致。当直径小于径小，表面急剧变大所致。当直径小于100nm100nm时，其表面原时，其表面原子百分数急剧增长，甚至子百分数急剧增长，甚至1g1g纳米颗粒表面的总和可高达纳米颗粒表面的总和可高达100m100m2 2，这时的表面效应将不容忽略。

10、，这时的表面效应将不容忽略。 在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾沸腾”状态，尺寸大于状态，尺寸大于10nm后这种颗粒结构的不稳定性后这种颗粒结构的不稳定性才消失，并进入相对稳定的状态。才消失，并进入相对稳定的状态。 3 3量子尺寸效应量子尺寸效应 当金属或半导体从三维减小至零维时，载流子在各个方当金属或半导体从三维减小至零维时，载流子在各个方向上均受限，随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值时，金向上均受限，随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和属费米能级附近的电子能级由准连续变为

11、离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表现量增加，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表现为样品颜色的变化，如为样品颜色的变化，如CdSCdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。的微粒失去金属光泽而变为

12、黑色等。4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应当纳米粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一当纳米粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒的能力叫隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例势垒的能力叫隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性称为宏观量子隧道效应。即由铁磁性变为顺磁性称为宏观量子隧道效应。纳米材料的制备方法纳米材料的制备方法纳米粒子的制备方法分类：纳米粒子的制备方法分类：根据是否发生化学反应，纳米粒子的制备方法通常分为两大类： 物理方法和

13、物理方法和化学方法化学方法。根据制备状态的不同，制备纳米粒子的方法可以分为气相法气相法、液相法液相法和和固相法固相法等;按反应物状态分为干法干法和和湿法湿法。大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛刻，如高温高压、真空等缺点。纳纳米米粒粒子子制制备备方方法法物理法物理法化学法化学法粉碎法粉碎法构筑法构筑法沉淀法沉淀法水热法水热法溶胶凝胶法溶胶凝胶法冷冻干燥法冷冻干燥法喷雾法喷雾法干式粉碎干式粉碎湿式粉碎湿式粉碎气体冷凝法气体冷凝法溅射法溅射法氢电弧等离子体法氢电弧等离子体法共沉淀法共沉淀法均相沉淀法均相沉淀法水解沉淀法水解沉淀法纳纳米米粒粒子

14、子合合成成方方法法分分类类气相反应法气相反应法液相反应法液相反应法气相分解法气相分解法气相合成法气相合成法气固反应法气固反应法其它方法其它方法(如球磨法如球磨法) 机械粉碎法机械粉碎法u机械粉碎就是在粉碎力的作用下，固体料块或粒子发生变形进机械粉碎就是在粉碎力的作用下，固体料块或粒子发生变形进而破裂，产生更微细的颗粒。而破裂，产生更微细的颗粒。u物料的基本粉碎方式是压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。物料的基本粉碎方式是压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。u一般的粉碎作用力都是这几种力的组合，如球磨机和振动磨是一般的粉碎作用力都是这几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组合；气流磨是冲击、磨碎与剪碎

15、的组合等等。磨碎与冲击粉碎的组合；气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合等等。 1.物理制备方法物理制备方法（2）气体蒸发法）气体蒸发法气体蒸发法气体蒸发法是将纳米粒子的原料加热、蒸发，使之成为原子或是将纳米粒子的原料加热、蒸发，使之成为原子或分子；再使许多原子或分子凝聚，生成极微细的纳米粒子。分子；再使许多原子或分子凝聚，生成极微细的纳米粒子。利用这种方法得到的粒子一般在利用这种方法得到的粒子一般在5 100 nm 之间之间蒸发法：真空蒸发法、气体蒸发法等几类蒸发法：真空蒸发法、气体蒸发法等几类按原料加热技术手段不同，又可分为电极蒸发、高频感应蒸发、按原料加热技术手段不同，又可分为电极蒸发、高频感应

16、蒸发、电子束蒸发、等离子体蒸发、激光束蒸发等。电子束蒸发、等离子体蒸发、激光束蒸发等。湿化学法制备纳米粉体湿化学法制备纳米粉体湿化学法比较简单，易于规模生产，特别适合于制备纳米氧化湿化学法比较简单，易于规模生产，特别适合于制备纳米氧化粉体。主要有沉淀法、水热法、微乳液法等。粉体。主要有沉淀法、水热法、微乳液法等。 沉淀法沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。2.化学制备方法化学制备方法水热法水热法主要利用水热沉淀和水热氧化反应合成纳米粉体。主要利用水热沉淀和水热氧化反应合成纳米粉体。通过这两种反应可得到金属氧化物或复合氧化物（通过这两种反应可得到金属氧化物或复合氧化物（ZrO2、Al2O3、ZrO2-Y2O3、BaTiO3等）在水中的悬浮液，得到等）在水中的悬浮液，得到的纳米晶尺寸一般在的纳米晶尺寸一般在10100nm