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纳米材料课程论文 篇一
一维CeO2纳米材料的制备、表征及其性能研究
0 引言
纳米技术是近几年崛起的一门崭新的高科技技术． 它是研究现代技术与科学的一门重要学科，也是当前物理、化学和材料科学的一个活跃的研究领域。它是在纳米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物质（包括分子和原子） 的特性和相互作用，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在催化、光学、电磁、超导、化学和生物活性等方面呈现出优良的物理化学特性【1-2】等， 引起了各国科学家的广泛关注。
在纳米材料制备和应用研究所产生的纳米技术成为本世纪主导技术的今天，对纳米材料的研究已从单分散纳米颗粒发展到了纳米管、纳米线、纳米棒和纳米膜的制备与应用研究[101]。它们在纳米尺度电子器件、敏感器件、生物器件、纳米医药胶囊、纳米化学、电极材料和储氢能源材料等领域的潜在应用已成为国际研究的焦点[102, 103]。另外，纳米管、纳米线等一维结构的纳米材料既是研究其他低维材料的基础，又与纳米电子器件及微型传感器件密切相关[104]，所以进行设计合成尺寸规则、形貌可控、结构稳定的纳米管、线等一维纳米材料及其相关物性的研究就有着重要的理论意义和学术价值。
作为新材料中的一员——稀土纳米材料的研究也成为世界各国科学家研究的热点之一。纳米二氧化铈具有晶型单一，电学性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于SOFCS电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、 燃料电池、离子薄膜等方面【3-4】。近年来国内外研究者对纳米二氧化铈的制备及性能等进行了大量研究。下面就近年来有关二氧化铈纳米管和纳米线的制备方法及其性质和应用研究报道进行综述。
[101] Yang R.， Guo L.， Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2004, 20, 152. [102] Philip G. C.， Zettl A.， Hiroshi B.， Andreas T.， Smalley R. E.， Science, 1997, 279, 100. [103] Hu J.， Ouyang M.， Yang P.， Lieber C. M.， Nature, 1999, 399, 48. [104] Huang Y.， Science, 2001, 294, 1313.
1、一维CeO2纳米材料的制备方法
一维纳米结构材料如纳米线(棒)、纳米管等的制备通常采用水热合成法、模板法、非模板法等。 1.1声波降解法
这种方法是近年来提出的一种较新颖的方法，方法简单是其最大的特点。X i a等[401]以此法制得了硒的纳米线（见图1）。他们首先采用过量的联氨还原硒酸得到了球状的无定形硒胶体（ 粒径约在 0.1 -2um），然后进行干燥、在醇中重新分散并对其施加超声辐照。从图中可以看出，开始时由于声空化作用在胶体表面产生品种，随后胶体不断消耗，直至完全长成纳米线。此外Zhu等[402]将 Bi（ NO3）2， Na2S2O3和三乙醇胺（TEA）的水溶液在20kHz，60W·c m- 2 的高强度超声下辐照2h，制得了直径10-15nm，长度60-150nm的Bi2S3纳米棒。产品结晶度良好、形貌均一，且纯度较高。
[401] Xia Y，Gates B, Mayers B，et a1．A sonochemical approach to the synthesis of crystalline
selenium nanowires in solutions and on solid supports [J] Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [402] Zhu J M，Yang K，Zhu J J，et a1．The mierostrueture studies of bismuth sulfide nanorods prep- ared by sonochemical method [J]．Optical Material，2003，23 （ 1-2 ）：89．
1.2水热合成法
该法是指以水为分散溶剂，将反应物放入内含聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在高温高压条件下使之发生化学反应。先利用水热反应得到不同形貌的前驱体，再于空气中在一定温度下灼烧前驱体而得到所需纳米材料。这是一种制备形貌各异的纳米氧化物的有效方法之一[307]。该法具有条件温和、产物纯度高、晶粒发育完整、粒径小且分布较均匀、无团聚、分散性好、形状可控等优点，且其合成过程简单、装置简易及促使反应物能够在较低的温度反应生长，是一个非常有应用前景的合成新型一维结构稀土化合物的方法。
Xu等〔308〕以Dy2O3粉末为前驱体用水热法成功的合成了形貌独特的Dy(OH)3纳米管。水热合成法不仅可以制备出单一稀土氧化物 纳米线，而且可以制备出复合氧化物纳米线，Liu等[310]采用水热合成法合成出了La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr，Mn)纳米线。水热法过程简单、原料价格低廉且容易得到形貌独特的稀土材料，是一种可推广到制备其它稀土化合物的方法。 1.3模板合成法
水热合成法在制备一维纳米结构稀土化合物的优势是简单易行，但是不足之处在于粒子大小和形貌不易控制、粒子无序排列等。因此探索既能方便地制备出粒子的尺寸和形貌可控、粒子排列又有序的方法是纳米材料研究领域中的一个难点。近年来，随着对纳米材料研究的不断深人，模板合成方法越来越引起人们的关注。根据模板剂的结构可分为软模板法和硬模板法。软模板法是指利用表面活性剂液晶模板的原理诱导粒子的生长，硬模板法则是以含有有序多孔材料为模板，在孔内合成所要的各种微米和纳米有序阵列[315] 1.3.1软模板合成法
氧化物纳米管、纳米线的软模板法合成途径是通过溶液中表面活性剂的自组装或有机凝胶的诱导组装而实现的。Yada等[316]以十二烷基硫酸钠为软模板、尿素为沉淀剂的均匀沉淀法通过分子自组装方式合成出了稀土氧化物纳米管。 1.3.2硬模板合成法
硬模板合成法是利用硬模板剂的孔径限制和诱导纳米线、纳米棒的生长而得到形貌各异的一维纳米材料，其最大特点是能真正实现对材料形貌、粒子大小的调变，从而成为应用最广泛的可控制备方法之一。常用的硬模板有阳极氧化铝(AAO)、聚碳酸酯及碳纳米管等。采 用硬模板法合成纳米材料时应考虑3个方面情况：(l)前驱体溶液必须能够湿润孔（即亲水/疏水特性）；(2)沉积反应过程不宜太快，以免堵塞孔道；(3)在反应条件下，基体膜必须具备高的热稳定性和化学稳定性。基于此，前驱物在模板孔内的沉积方式通常有电化学沉积法、化学镀、化学聚合、化学气相沉积、溶胶一凝胶沉积及模板在溶液中直接浸渍等6种方式，而最常用的则为最后两种方式。所得纳米材料的形貌及粒径大小除与所选硬模板剂有关外，还与其沉积方式、时间等有很大关系。 1.4非模板合成法
除了水热法和模板法可合成出一维纳米结构材料外，Yada等[323]提出了无需利用模板剂的新合成方法，该法是添加无机物Na2SO4，NaHPO4等，通过共存离子自组装进人反应物混合体系，进而形成氧化物空心纳米管。通过比较Yada的模板合成法和无模板合成法，可知无模板的合成法所得稀土氧化物纳米管的种类多于模板合成法的，且前者的纳米管直径较大。
[307] Xu R R, Pang W Q. Inorganic Synthetic and Preparative Chemistry [M]。Beijing:Higher Education Press,2001. [308] Xu A W, Fang Y P, You L P, et al. A simple method to synthesize Dy2O3 and Dy(OH)3 nanotubes [J]。 J. Am. Chem. Soc.， 2003,125:1494. [310] Liu J B, Wang H, Zhu M K, et al. Synthesis of La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr,Mn) by a hydrothermal method at low temperature [J]。 Mater Res.Bull.，2003,38:817. [315] 包建春，徐 正。纳米有序体系的模板合成及其应用[J]。无机化学学报， 2002, 18(10): 965. [316] Yada M, Mihara M,Mouri S, et al. Rare earth oxide nanotubes templated by dodecylsulfate assemblies[J]。 Adv. Mater.， 2002,14(4):309. [323] Yada M, Taniguchi C,Torikai T, et al. Hierarchical two-and three-dimensional microstructures composed of rare-earth compound nano-tubes [J]。 Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [001]吕仁江，周志波，高晓辉。 CeO2 纳米线阵列的制备[J]。无机化学学报， 2002, 18(10): 965.
纳米CeO2粉体及其固溶体的研究进展
摘要：本文综述了纳米CeO2的几种主要制备方法，以及CexZr1-xO2固溶体在汽车尾气净化催化剂中的作用、铈锆氧化物的体相结构及影响铈锆氧化物固溶体储氧能力（ OSC）和织构热稳定性的因素对其在催化剂中的应用作了简要陈述。介绍了掺杂对CeO2 结构的影响及其在催化剂方面的应用研究，展望了掺杂对改进CeO2性能的研究方向。
关键词：纳米CeO2；掺杂；CexZr1-xO2，三效催化剂；储氧能力
0 引言
由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等， 使其呈现出许多独特的性质， 在结构与功
能陶瓷， 涂层材料 ， 磁性材料 ， 气敏材料， 催化材料 ， 医药材料等
领域具有广阔的应用前景L 1 ] 。
纳米稀土氧化物粉末是纳米稀土材料的重要组成部分， 它
既是一种可实用的新材料， 同时又可为其它大块新材料的制备
提供原料。其中， 纳米 C e O。 粉末由于具有独特的立方萤石型结
构特征L 2 ] ， 尤为引人关注。近年来， 国内外研究人员已用多种方
法制备出了单一的和某些复杂 的纳米 C e O 粉末， 并详细研究
了它们的物性及在多种领域的应用。
纳米CeO2具有比表面积大， 储氧性能好， 负载金属分散度高等许多优良特性， 掺杂对CeO2的结构及性能又有进一步改善， 因而是目前研究的热点。
CexZr1-xO2固溶体（简称CZ）具有高的储氧能力（ OSC）[111-112]和良好的热稳定性[113]，用作汽车尾气净化催化剂载体受到了广泛的关注，是目前催化剂领域的研究热点之一。研究工作主要集中于CZ的结构表征，结构与热稳定性、OSC的关系以及CZ基催化剂的催化作用等。本文主要介绍近年来国内外有关CZ在上述方面的研究进展 。
0 引言
纳米技术是近几年崛起的一门崭新的高科技技术． 它是研究现代技术与科学的一门重要学科，也是当前物理、化学和材料科学的一个活跃的研究领域。它是在纳米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物质（包括分子和原子） 的特性和相互作用，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在催化、光学、电磁、超导、化学和生物活性等方面呈现出优良的物理化学特性【1-2】等， 引起了各国科学家的广泛关注。利用这些特性所开发出来的多学科的高新科技，成为特殊功能材料发展的基础。纳米氧化物作为纳米材料中的重要一员，在精密陶瓷、光电池、磁记录和传感器、催化剂、发光材料等方面有着重要的应用。因此，人们对纳米氧化物的制备和性能进行了广泛的研究 。
作为新材料中的一员——稀土纳米材料的研究也成为世界各国科学家研究的热点之一。纳米二氧化铈具有晶型单一，电学性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于SOFCS电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、 燃料电池、离子薄膜等方面【3-4】。近年来国内外研究者对纳米二氧化铈的制备及性能等进行了大量研究。纳米技术简介【5】
纳米技术(nanometer technology)主要针对 1～100 nm之间的尺寸，该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域 ，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统 ， 突出表现为四大效应: 表面效应:指纳米粒子的表面原子数与总体积原子数之比随粒径的变小而急剧增大 ，从而引起的性质上的突变。粒径到达 10 nm 以下 ，表面原子之比迅速增大。当粒径降至 1 nm时 ，表面原子数之比超过 90 %以上，原子几乎全部集中到粒子的表面，表面悬空键增多 ，化学活性增强。
体积效应:由于纳米粒子体积极小 ，包含极少的原子 ，相应的质量也很小。因此 ，呈现出与通常由无限个原子构成的块状物质不同的性质 ，这种特殊的现象通常称之为体积效应。
量子效应:当纳米粒子的尺寸下降到一定程度 ，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散；纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级 ，从而使得能隙变宽 ，这种现象 ，称为量子尺寸效应。
宏观量子隧道效应:纳米粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年 ，人们发现一些宏观量 ，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应 ，它们可以穿越宏观系统的势垒。
研究表明，纳米材料的颗粒尺寸小，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全，导致表面活性位置增加，而且随着粒径的减小，表面光滑度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而增加了化学反应的接触面，具有很强的催化性能。因此，纳米催化材料是纳米材料研究的一个重要方向。纳米稀土材料是纳米催化材料的一个重要组成部分，它既具有纳米材料的优点，又具备稀土材料化学活性高、氧化还原能力强和配位数多变的特点，集两种材料的优势于一身，是比纯粹的纳米材料和稀土材料更优良的的新型复合材料；广泛应用于稀土化合物纳米粉体、稀土纳米复合材料、稀土纳米环保材料、稀土纳米催化剂等方面，具有广阔的市场前景。氧化铈是稀土族中一个重要的化合物，是一种用途非常广泛的材料，在玻璃、陶瓷、荧光粉、催化剂等领域中有广泛的应用，特别是在机动车尾气净化催化剂中，氧化铈作为一种重要的助剂，对改进催化剂的性能起着举足轻重的作用 ［6-7］ 。
c e ( ) 2 将在高薪技术领域发挥更大的潜力
二氧化铈的资源状况
我国稀土资源具有分布广， 品种多， 质量好的特点I 5 ] 。
据公布资料显示， 我 国稀土工业储量为 4 3 0 0万吨( 以 R E O
计) ， 远景储量为 4 8 0 0万吨， 占全球储量 9 1 0 0万吨的 4 3 ． 4
％左右， 居全球之首。铈在地壳中的丰度占第 2 5位， 与铜的丰度相当。
铈与其它稀土元素一样性质活跃， 为亲石元素。铈的主
要资源来 自氟碳铈矿和独居石。工业开采的铈的稀土矿物
主要有包头混合型稀土矿（ 氟碳铈矿和独居石混合的矿物 ） 、 独居石、 氟碳铈矿及离子型吸附矿， 山东微山和四川冕宁地
区的单一氟碳铈矿床。这些矿物中氟碳铈矿、 独居石 、 氟碳
钙铈矿含铈量（ 以C e 2 o 3 计） 都超过 5 0％， 如： 氟碳铈矿中已
达 7 4％， 独居石含铈量约 6 O％， 氟碳钙铈矿含铈量为 5 3 ～
6 2％。这为我国大力发展稀土铈工业提供了必要的物质基
础和优势。
目前我国c a 3 2 产品的原料包括下列几种_ 6
J ： （ 1 ） 混合型
氧氧化稀土[ R E （ OH）
] 。它是由混合型稀土精矿( 包头稀土
矿) 及氟碳铈矿精矿经处理后而制成的。R E（ OH） 中含
R E O 6 0％， C e O 2 5 0％。（ 2 ） 稀土精矿 ( R E O>~5 0％， C e O 2 4 8
％～5 0％) 。它可用包头稀土矿或 四川氟碳铈矿精矿处理
后而制 成。（ 3 ） 硫酸 稀土 和氯化稀 土 [ R E 2 （ S （ ） 4 ） 3中含
R E O 5 0％， C e O 2 5 0％； 在 RE C l 中含 R E o≥4 5％， C e C h ≥ 5％] 。均可由稀土精矿处理后而获得。上述三种原料 为
我国目前生产二氧化铈提供充足的原料。 国内外应用研究现状
目前旧内外正在开发和研究应用的领域
（ 1 ） 紫外线吸收剂方面的应用
目前大量使用的是有机紫外线吸收剂， 有饥物的最大缺
点足稳定性差， 容易分解 ， 分解产物还会加速其它高分子材
料老化， 最终影响产品的长期使用效果。此外有机吸收剂本
身或其分解产物具有一定的毒性， 符合绿色环保要求， 影
响产品出口和使用范围。
普通氧化铈用于紫外战吸收0 已在玻璃行业得到应用。 纳米 C e 的4
f
电子结卡 勾， 埘光吸收非常敏感， 而且吸收波 0 3 1 3 2 左右 段大多在紫外区（ 如图( 3 ） 示 ， 实验室自制粒度在 的（ 的紫外吸收网） ， 冈此所得的纳米复合抗紫外线剂，n m) ， 高效长久( 比
具有吸收效率高、 吸收波段宽（ 2 0 0 ～4 0 0 有机抗紫外线剂要长数倍） ， 防止高分子材料老化的功能将
更强， 绿色环保， 而且综合成本低。粒径 8
n m的) 2 超微
粉对紫外线吸收能力和遮断效果显著， 可用于基材涂料提高
耐候性。目前我国许多公司
在开发将其应用于涂料 ， 防止
坦克 、 汽车 、 储油灌等的紫外老化； 日本无机化学公司在该方
面也研制成功 了一种名为 C e f i g u a ~的紫外线遮断剂， 并建
立 铈防护剂生产线， 该产品与同类产品比较， 紫外线遮断
效果相同， 但透明性较其它产品优 良。今后， 随着铈防护剂[10]
纳米材料因其独特 的表面效应、 量子尺寸效应等而表现 出
不同于常规材料的特殊性能 ， 因而在各个领域得到了广泛 的使
用。 我国拥有丰富的稀土资源 ， 由于稀土元素具有独特的 f 电子
构型， 因此具有其独特的光 、 电、 磁性质。 为了进一步研究和开发
新型纳米稀土材料 ， 纳米稀土材料 的合成及应用成为了世界各
国科学家研究的热点之一。
C e Oz 属于立方晶系 ， 具有萤石结构。 C e 0。 作为一种典型的稀土氧化物有着多方面的功能特性 ， 被广泛用于 电子陶瓷、 玻璃
抛光、 耐辐射玻璃 、 发光材料等。最新研究表明， 由于Ce O。 独特 的储放氧功能及高温快速氧空位扩散能力 ， 因此可以被应用于
氧化还原反应 中， 成为极具应用前景的催化材料n ] 、 高温氧敏
材料[ ‘ ] 、 p H传感材料n ] 、 电化学池中膜反应器材料n 3 、 燃料 电
池的中间材料 ] 、 中温固体氧化物燃料 电池（ S OF C） 用电极 材
料[ g
0 ] 以及化学机械抛光 （ C MP ） 浆料[ ， 在现代高新技术领域
有 着巨大的发展潜力。而高科技的发展对 C e O。 的要求越来越高 ， 因此 C e O。 纳 米粉体的制备技 术也已成为必须迫切解决的问题。本文即根据最新 资料文献 ， 重点介绍了纳米 C e O。 在高新
技术领域中的应用 以及国内外有关纳米 C e O。 制备方法的研究
进展 ， 同时对纳米 C e O。 研 究的发展趋势提 出了新的展望 ， 以期
为进一步深入研究和开发高性能新型 C e O。 功能纳米材料提供
参考和借鉴 。
纳米氧化铈在高新技术领域的应用． 1
在汽车尾气探测及净化催化中的应用 随着汽车用量的增加， 环境污染越来越严重 。 由于环保法规
日趋严格 ， 汽车尾气探测和净化用催化剂的消费量大幅度增加 ， 这不仅是因为汽车尾气净化已经普及， 而且环保标准逐步提高 。
表 1 所示为美国联邦政府 、 加利福尼亚州和欧盟制定的汽车尾
气排放标准[ 】
。
显然 ， 如此严格的标准单靠汽车工业本身的努力远远不够 ， 必须开发新型材料来限制汽车尾气的排放以控制 日益严重的环
境污染 。C e 02 于还原气氛中很容易被还原为低价氧化物 ， 转化为缺氧型非化学计量氧化物 C e O
… 尽管在晶格上失去相当数
量的氧而形成大量氧空位 ， 但 C e O
一
仍然能保持萤石型晶体结
构。 这种亚稳氧化物暴露在氧化环境中， 又极 易被氧化为 C e O 。
由于 Ce 0 具有这种独特的储放氧功能 以及高温化学稳定性和
快速氧空位扩散能力（ 1 2 4 3 K时的扩散系数为 1 0 c m ／ s ） ， 而成
为性能优越的高温氧敏材料， 最适合作 为探测汽车尾气氧浓度
和控制发动机空燃 比的探头(
一探头) ， 以及探测低 氧分压的氧
敏传感器
] 。 C e O 能够改善催化剂中活性组分在载体上的分散
度， 因此也被广泛应用于催化氧化还原反应 。 在控制汽车尾气过
程中， C e O 是三效催化剂中最重要的助剂[ 1 。研究表明L 1
] ，利用纳米 C e 0 的 比表面积大 ， 化学活性高 ， 稳 定性好的特性 ，将 c e 0 作为助剂与添 加剂 ， 与贵金属 （ P t ， P d， R u等 ） 联用 ， 也
可将 C e O 作为载体或做成复合载体 ， 负载过渡金属 ， 可很大程
度提高储氧放氧能力 ， 明显改善催化性能 。
1 ． 2 在化学机械抛光（ C MP） 中的应用
化学机械抛光 （ C MP ） 是集成 电路 （ I C） 生产中硅晶圆片整
个沉积和蚀刻工艺的重要组成部分。它借助 C MP浆料 中超微
研磨粒子的机械研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用 ， 用专用抛
光盘在 已制作 电路 图形的硅 晶圆片上形成高度平整的表面， 是
目前能够提供超大规模集成电路制造过程中全局平坦化的一种
新技术n 。其中应用最广泛的是层间介电层 （ I L D） 的抛光， S i O2
则是最常用的层间介电层材料 。 要获得最佳的抛光效果， 需要制
备高效、 高质、 高选择性的 C MP浆料。
由于纳米 C e O 具有强氧化作用 ， 作为层 间 S i O 介 电层抛
光的研磨粒子， 具有平整质量高、 抛光速率快、 选择性好的优点 。
C e 0 粒子 比 s i 0 粒子柔软[ 1 ， 因此在抛光过程中 ， 不容易刮 S i O 抛光面。尽管 C e O 粒子硬度小， 却具有抛光速率快 的 点， 这主要在于 C e O 粒子在抛光过程中所起的化学作用。 C 粒 子抛 光 S i 0 介 电层 的机 理 如下
：
一 一
中的界面氧原子将与细胞色素 C中赖氨酸残基上的质子化氨基
相互作用并形成细胞色素 C与电极之 间的电子传递通道 ， 可以
获得细胞色素 C的快速传递反应 。C e 0 粒子越小， 比表面积越
大， 界面的氧原子数就越多， 因而可在电极表面产生越多的电化
学活 性 点 ， 得到 更好 的反应 促进 效 果L 2 。
1 ． 4 在燃料电池 电极 中的应用
电极在燃料 电池电化学 中有着十分重要的作用 ， 以 YS Z为
电解 质， 阴阳两极分别 为 L a （ S t ） Mn O。和 Ni — YS Z的 S OF C一
度 占据统治地位 ， 但是 C H。 在 Ni 上快速积炭 ， 阻碍 了 s 0F c甲
烷的直接氧化反应路径的开发 ， 而且以 Ni 为阳极催化剂存在着
抗硫能力差 ， 长时间操作会引起 Ni 烧结 。 C e O 作为一种新型材
料， 有着以下几个优点 ： （ 1 ） C e O 是一种混合 型导体 。可 以将阳
极氧化反应面扩大到 TP B面 （ 气相一 电极催化剂一 电解质三者的 界面） ； （ 2 ） C e O 的离子电导大于 YS Z， 可 以协助 01从 电解质
向阳极传递 ； （ 3 ） C e O 易于储氧、 传输氧 ， 纳米级 C e 0 比表面积
大， 增加了储氧的能力。 因此 C e 0 能够在阳极上应用 ， 解决 C Ht
直接应用于固体氧化物燃料电池的积炭问题L 2 。
[1]Charlier J C,Vita A D,Blasé X Science,1997,275,646 [2]Nie S M,Emory S R,Science,1997,275,1102 [3]Izaki M,SaitoT,Chigane M.J Mater Chem,2001,8(11):1972—1974.
[4]Suzuki T,Kosacki I,Anderson HU,Colomban P.J AM Ceram Soc,2001, 9(84):2007—2014.
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纳米材料论文 篇二
摘要：目前世界上上转换纳米荧光材料正处在发展阶段，材料的选择和合成有待于深入细致的研究。本文对上转换发光纳米晶的选择和合成做了系统的讨论。
关键词： 纳米材料 发光材料 上转换发光 荧光材料 双光子吸收 纳米晶
1.引言
近年来，人们开始对荧光标记材料产生了浓厚的兴趣，特别是随着纳米技术的发展，能够进行生物标记的无机纳米晶成为人们追逐的热点，但是由于生物背底同样会产生荧光从而对荧光检测形成干扰，于是不会产生背底干扰的稀土上转换纳米发光标记材料引起了人们的注意。
1.1纳米材料简介
纳术概念是1959年木，诺贝尔奖获得着理查德。费曼在一次讲演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的讲演中提到，人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。他预言，化学将变成根据人仃〕的意愿逐个地准确放置原子的技术问题，这是最早具有现代纳米概念的思想。20世纪80年代末、90年代初，出现了表征纳米尺度的重要工具一扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)一认识纳米尺度和纳米世界物质的直接的工具，极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，出现了纳米技术术语，形成了纳米技术。 其实说起来纳米只是一个长度单位，1纳米(nm)=10又负3次方微米=10又负6次方毫米(mm)=10又负9次方米(m)=l0A。纳米科学与技术(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。关于纳米技术，从迄今为止的研究状况来看，可以分为4种概念。在这里就不一一介绍了。
1.2上转换纳米材料介绍
稀土上转换发光材料通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换。所谓的上转换材料就是指受到光激发时，可以发射比激发波长短的荧光的材料。由此可见上转换发光的本质是一种反Stokes发光，因此，也称上转换发光为反Stokes发光。早在1959年，就出现了上转换发光的报道。用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。上转换发光的机理可以归结为4种情况：
(1)单离子的步进多光子吸收，这实际上是激发态吸收(ESA)的过程。
(2)直接双光子吸收。这也是一个单离子过程，能量为E1和E2 (E1与E2可以相等也可以不相等)的两个光子从一个虚拟的中间量子态被同时吸收终态E3=E1+E2。
（3）多个激发态离子的共协上转换。
(4)光子雪崩吸收上转换。
2. 上转换纳米材料的合成
2.1 共沉淀法
共沉淀法因其方便、节时等优点也是一种发光材料制备中常用的方法，它之所以被使用，主要表现在制备金属氧化物、纳米材料等方面具有独特的优点，用沉淀法制备的样品的优点是：反应温度低，样品纯度高，粒径小，分散性也很好。这种方法虽然是无机粉末发光材料合成的重要方法，但它对于复杂的多
组分体系的制备就可能存在一些问题。冈为它对于原料的选择会造成一定的困难，同时还要求各种组分具有相同或相近的水解或沉淀条件，这样必将对所合成的多组分体系有一定的要求，从而限制了它的使用。．Iohannes Hampl等人用高温流化床合成出了具有较好分散性的Er，Yb共掺的氧硫化物。合成时，将Er，Yb和Y的硝酸盐用尿素共沉淀，得到的沉淀在840℃下通过H2S和水蒸气，最后在1500℃的流化床中用Ar气保护活化，这样得到了尺寸大约400nm的粒子。硫化物的粒子形态较好，一般为圆形，但是要求较高的活化温度(1500~)，在此温度下粒子容易粘连，所以在硫化床中活化，这样加大了合成的难度。
2.2水热法
水热法也是近几年来研究无机发光材料中发明的又一新兴 的合成方法。此法主要是在特制的反应釜(高压釜)中，采用水溶液作为反应体系，通过将反应体系加热至临界温度(或接近临界温度)，在反应体系中产生高压环境从而在一定温度和压力下，使物质在溶液中进行化学反应的一种无机制备方法。在水热法的基础上，以有机溶剂代替水，采用溶剂热反应来制备发光材料是水热法的一种重大改进，可以适用于一些非水反应体系的制备，从而打一大了水热技术的适用范围。
3.上转换纳米材料的光学性能
上转换纳米微粒的个最重要标志是尺寸与物理的特征量相差不多，例如。当上转换纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。
与此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳术微粒的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观犬块物体不具备的新的光学特性。
例如：
1.宽频带强吸收。纳米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉对红外有个宽频带强吸收谱。这是因为纳米粒子大的比表面导致r平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大小材料不同，没有一个单一的，择优的键振动模．而存在个较宽的键振动模的分布．在红外光场作用下它们对红外吸收的频率也就存在个较宽的分布，这就导致了纳米粒于红外吸收带的宽化。
2.吸收带蓝移现象。这可能由于两方面原因，一是量子尺寸效应，由于颗粒尺下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向，Ball等对这种蓝移现象给出了解释：已被电子占据分子轨道能级与未被电子占据分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径碱小而增大．这是产生蓝移的根本原因。这种解释对半导体和绝缘体都适用。另一种是表面效应。由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，品格常数改变。对纳米氧化物和氮化物小粒于研究表明第一近邻和第二近邻的距离发生变化。键长的改变导致纳米微粒的键本征振动频率改变，结果使光吸收带发生移动。 3．量子限域效应。半导体纳术微粒的半径r<aB(激子玻尔半径)时，电子的平均自由程受小粒径的限制，局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引起电子和空穴波函数的重叠，这就报容易产生激子吸收带。
4.上转换纳米微粒的发光。
当上转换纳米微粒的尺寸小到一定值时可在定波长的光激发下发光。1990年，日本佳能研究中心的H .Tabagi发现，粒径小于6nm的硅在室温下可以发射可见光。随半径减小，发射带强度增强并移向短波方向。当粒径大干6nm时，这种光发射现象消失。Tabagi目认为硅纳米微粒的发光是载流子的量子限域效应引起的。Brus认为，大块硅不发光是因为它的结构存在平移周期性，由平移对称性产生的选择定则使得大尺寸硅不可能发光，当硅粒径小到某程度时(6nm)．平移对称性消失，因此出现发光现象。
参考文献：
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纳米材料论文 篇三
1、纳米材料的概述
纳米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子组成的新一代材料。而纳米技术是研究物质组成体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的一种科学技术。纳米涂料是利用纳米粒子抗紫外线的性能对涂料进行改性，提高涂料的某些性能。纳米涂料也是纳米复合涂料，是在涂料生产过程中加入纳米粒子，从而产生许多优异性能，使纳米涂料具有优异的力学、热学、光学及电磁学性能，这些都是传统涂料不能比拟的，而且添加不同的纳米粒子便生产出不同功能的纳米涂料，从而扩大了涂料的应用范围。
纳米涂料的发展：首先，纳米材料在我国的发展已经很广泛，在市场上也取得较好的反应，纳米建筑涂料是纳米涂料用量最大的品种之一，也是提升传统涂料的重点领域。近几年来，纳米材料的发展更为迅速，在建筑行业中，主要被用于改善建筑内墙涂料的抗菌性和建筑外墙涂料的耐候性，已经逐渐形成一种产业。但是还是落后于发达国家，国外的纳米材料的应用，对于纳米涂料的应用，国外对其的开发起步较早并形成产业化，美国对于纳米材料的应用主要用于绝缘涂料、豪华轿车面漆以及军事方面，还开展了在包装上使用阻隔性涂层、透明并耐磨性涂料、光致变色涂料等纳米涂料的应用研究。而日本主要在由光催化进行自动清洁涂料、静电屏蔽涂料的研究方面取得成效并将其发展为产业化。
2、纳米材料的物理性能
纳米材料中能级分裂和电子布局的变化；纳米材料电子的强关联或相关性；纳米材料具备的激子过程和激发态；纳米材料的表面态与表面结构：纳米材料占比例较大的是的其表面，当纳米材料减少到10nm时，体内原子和表面原子的数目比将达到50%。表面原子与体内原子所处的化学环境截然不同，因此会有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影响，局限性较大。对于纳米材料来说，由于自身表象与体相比例相差不大，因此，在許多物理变化以及化学变化中的作用显著，而且更加利于人们对其进行研究；纳米材料的量子隧穿与纳米尺度的耦合：目前改性涂料所使用纳米材料一般为半导体纳米材料，如纳米SiO2、TiO2、ZnO等，半导体纳米材料比较特殊；具有光学性；纳米半导体粒子，1-100nm。由于量子尺寸效应差异较大，因此目前最活跃的研究领域之一就是纳米半导体粒子的光化学性质和光物理性质，对于纳米半导体粒子所具有的室温光致发光及超快速的光学非线性响应等特性更加受到关注。一般情况下，当导体激子玻尔半径与导体粒子尺寸半径极其相近时，随着导体粒子尺寸的变化，其导体的有效带隙也随之发生变化。导体尺寸越小，其导体的有效带隙越多，其相应的荧光光谱和吸收光谱会发生蓝移，最终形成能级在能带中。
3、纳米材料的其他性能
3.1光学性能：当纳米微粒的粒径与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及玻尔半径相当时，其具有较为显著的尺寸效应。同时，纳米材料的比表面使处于小颗粒内部的电子、原子以及处于表面态的电子、原子与的行为有很大的差别，影响纳米微粒的光学特性与纳米材料的这种量子尺寸效应和表面效应有很大的关系。这是同样材质纳米材料的宏观大块物体不具备的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能够很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物几乎不吸收紫外光，例如亚微米的TiO2。由于这些纳米材料具有良好的半导体特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于电子被激发发生跃迁，从而吸收紫外光线。纳米材料与具有相同材质的大块材料相比，纳米材料在吸收紫外光线过程中，会出现蓝移现象，出现蓝移现象的原因有，量子尺寸发生变化，能隙变宽，光吸收靠近短波。另一种是表面效应。大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。
3.2吸附性能：当不同相相接触并且互相结合时，就是吸附现象。纳米微粒与材质相同的一些材料相比吸附性较强，主要是由于其比表面积较大，并且其表面得原子不能足够配位。影响纳米材料吸附性能的因素较多，其中，溶液性质、被吸附物质的性质、溶剂性质都可能对其产生影响。比如，水溶液的PH值不同，纳米材料微粒的电性也不相同，有可能带正电、也有可能带负电、还有可能呈中性。这些粒子所形成的吸附键不同，其吸附作用也具有差异。一些纳米材料能够利用气体，形成吸附层，如纳米氧化物可以与空气中的一些气体结合形成吸附表层。气体不同，形成的吸附层也不相同。
4、纳米材料在涂料中的应用
4.1力学性能的改善
涂料力学性能主要表现在强度、硬度、耐磨性等方面，涂料力学性能的好坏直接关系到涂料的使用寿命。在涂料实际应用过程中，受多种因素的影响，会出现力学性能的变化，从而难以发挥涂料应有的作用。而纳米材料的应用能够有效地改善涂料的力学性能。纳米材料中的纳米粒子比表面积要大，能够与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力，大颗粒与成膜物之间的空隙非常小，能够有效地减少毛细作用，从而提高涂层的强度、硬度以及耐磨性。
4.2光学性能的改善
涂料主要是涂在物体表面，而在物体表面，涂料很容易腐化、脱落，而出现这种问题的根源就在于涂料的光学性能比较差，涂料在太阳的照射下快速地发生反应。而纳米材料具备大颗粒所不具备的光学性能。当纳米级微粒掺和进母体材料时，可以提高母体材料的透明性，从而直接散射紫外光，同时，能够将紫外光纤带出散射区域，从而大大的增强涂料的曝光、保色及抗老化性能。
4.3提高光催化效率
就纳米材料而言，纳米粒子尺寸小，比表面积要大，表面原子配位不全，从而使得表面活性点增多，由于表面活性点比较多，反应接触面就比较大，催化效率就要高。对于涂料这种产品而言，纳米材料的可以作为涂料的光催化剂，因纳米粒子的粒径小，粒子吸收光能后，激发出的极子所到达表面的数量就会增多，从而加速催化，提高涂料的光催化性能。如二氧化钛的光催化性能，这种光催化剂集广泛应用于废水处理、有害气体净化、日用品等领域，同时还可以环境保护涂料自己杀菌涂料。
5、纳米材料在涂料中应用的关键问题
纳米材料作为科技产物，它的作用毋庸置疑，但是就纳米材料在涂料中的应用来看，还处于初级阶段，在实际应用过程中出现了一些问题，纳米材料在涂料中的应用还有待于深入研究。纳米微粒比表面积以及表面张力大，纳米微粒容易吸附而发生团聚，而这种易团聚的粒子很难分散开来，如果这些团聚的粒子没有良好的分散，就难以发挥纳米材料在涂料中应有的作用。因此，针对纳米粒子团聚问题，就必须深入研究纳米粒子团聚后的分散，要加大研究，以科学、先进的方法来讲这些团聚的粒子来分散。纳米材料属于该科技产品，纳米材料在涂料中的应用与其他材料在涂料中的应用情况有着一定的区别，纳米材料在应用过程需要根据涂料的特性来进行，但是就目前来看，纳米材料对涂料的作用研究还不够深入，以至于纳米涂料技术水平不够高，涂料性能与国外相比存在着一定的差距。因此，加大科技的研究是纳米材料普及应用的保障。一方面，要继续深入研究纳米材料科技，不断提高纳米材料技术含量，另一方面，要加强国际合作，学习国外先进的技术理念，从而更好地发挥纳米材料在涂料中的作用，不断能提高涂料的性能。
6、纳米材料及其技术在涂料中的应用
6.1TiO2在涂料中的应用
纳米TiO2具有光学效应，其粒径发生改变，光学效应也发生变化。纳米TiO2中的金红石型材料能够变色，角度不同，颜色随之发生改变。多应用于汽车喷漆中，能够产生一些很神奇的变化。利用纳米TiO2中的紫外吸收特性，对汽车面漆的耐候性能有较大的提升。除此之外，纳米TiO2还具有光催化特性，利用其这一特性，能够对空氣产生净化作用，并且对于空气中的其他污染物进行降解，保护环境。
TiO2的光催化效应及应用：纳米二氧化钛具有高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂，在波长小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴-电子对，并将能量传递到周围介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。一般抗菌剂有杀菌作用，但不能分解毒素，而二氧化钛利用生成的活性氧杀菌，并且能使细菌死后产生的内毒素分解。纳米TiO2广泛应用于自洁陶瓷、玻璃以及厨房和医院设施中，一些高速公路两侧的护墙上也涂有纳米TiO2以消除汽车尾气的影响。
TiO2的紫外屏蔽应用：纳米TiO2的小尺寸效应、量子效应和诱导效应可使光吸收带蓝移，产生强的紫外吸收。纳米TiO2具有很好的紫外线屏蔽作用，也是一种防老化材料，可将其均匀分散到涂料中制成紫外线屏蔽涂层和抗老化涂层。纳米TiO2作为一种良好的永久性紫外线吸收材料还可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保护等领域。
6.2SiO2在涂料中的应用
纳米SiO2是无定型白色粉末，是一种无毒，无味，无污染的无机非金属材料，表面存在不饱和的残键和不同键和状态的羟基，其分子结构呈三维网状结构。
纳米颗粒的比表面积和表面张力都很大，容易相互吸附而发生团聚。而纳米粒子如果不能真正的以纳米级分散在涂料中，就失去了其应有的作用。添加纳米SiO2的涂料具有防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。纳米二氧化硅具有极强的紫外吸收、红外反射特性，它添加在涂料中，能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加涂料的隔热性。
6.3纳米CaCO3在涂料中的应用
纳米碳酸钙的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的触变性更好，在施工的过程中防止流挂并增加涂料的贮存稳定性。纳米碳酸钙改善涂料触变性的主要原因是由于纳米碳酸钙粒子表面相互聚集的氢键作用力不强，很容易被剪切力切开，在使用的时候这些氢键在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢复，能够迅速的重整结构。纳米碳酸钙对涂膜有一定的补强作用，同时还具备其他纳米材料的普遍共性“蓝移”现象。从纳米碳酸钙的结构来看，部分纳米粒子聚集并形成一次链状结构，这种结构可以将涂料的结构化水平提高，在与聚合物混合时形成的物理缠结能力增强，从而增加涂膜补强效果。
7、结束语
综上所述，加强对纳米材料及其技术在涂料产业中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的纳米材料及其技术应用过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献
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纳米材料 论文 篇四
TiO2纳米制备及其改性和应用研究进展
于琳枫（12化学1班）
摘 要： 二氧化钛纳米管由于新奇的物理化学性质引起了广泛的关注，本文就近年来在制备方法﹑反应机理﹑二级结构及掺杂和应用方面予以综述，并讨论了今后可能的研究发展方向。
关键词: 二氧化钛， 纳米管， 制备， 反应机理， 二级结构
0 引言
TiO2俗称钛白粉，无毒、无味、无刺激性、热稳定性好，且原料来源广泛易得。它有三种晶型：板钛矿、锐钛矿和金红石型。TiO2最早用来做涂料。
自从1991年Iijima发现碳纳米管以来，已经用碳纳米管模板合成出各种不同的氧化物纳米管，如SiO2，V2O5，Al2O3，MoO3等，二氧化钛由于其化学惰性，良好的生物兼容性，较强的氧化能力，以及抗化学腐蚀和光腐蚀的能力，价格低廉，在能量转换﹑废水处理﹑环境净化﹑传感器﹑涂料﹑化妆品﹑催化剂﹑填充剂等诸多领域引起了人们极大的关注。研究结果表明：TiO2的晶粒大小，形状，相组成或表面修饰以及其它成分的掺杂对其性质﹑功能有显著的影响，纳米管的比表面积大，因而具有较高的吸附能力，有良好的选择性，可望具有新奇的光电磁性质，具有很好的应用前景。本文对二氧化钛纳米管的制备，形成机理的最新进展进行综述，并对今后的发展方向予以展望。 TiO2纳米材料的制备
1.1 气相法
TiO2纳米材料的气相合成主要是在化学技术和物理技术上发展起来的。由于反应温度高。气相法具有成核速度快、产品结晶度高、纯度高、生成粒子团聚少、粒径易控制等优点。气相法可以合成各种形貌的TiO2薄膜或粉体：纳米棒、纳米管、纳米带等。最常使用的气相法是高温溅射沉积法(SPD)。Ahonen等用钛醇盐做前驱体。采用SPD法合成了TiO2纳米粉体和薄膜。其他的气相制备技术 1
包括：直流电溅射法、高频无线电溅射法、分子束取向生长法和等离子体法等。
1.2 液相法
目前制备TiO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法。这种方法的优点是：原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产。但是产品粒子的均匀性差，在干燥和煅烧过程中易发生团聚。应用最普遍的液相制备方法包括液相沉积法和微乳液法等。
1.2.1 液相沉积法
液相沉积法是以无机钛盐作原料，通过直接沉积来制备功能TiO2粉体和薄膜的液相法。Deki等用（NH4)2TiF6和H3BO3的水溶液为起始溶液，制备了TiO2薄膜。Imai等用添加了尿素的TiF4和Ti(SO4)2的水溶液制备了不同形貌的TiO2纳米材料。液相沉积法具有以下优点：对仪器要求比较低，温度要求低(30～50℃），基片选择比较广等。
1.2.2 微乳液法
微乳液法制备纳米TiO2是近年来才发展起来的一种方法。微乳液是指热力学稳定分散的互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的液体混合物。该法的制备原理是在表面活性剂作用下使两种互不相溶的溶剂形成一个均匀的乳液。利用这两种微乳液间的反应可得到无定型的TiO2，经煅烧、晶化得到TiO2纳米晶体。贺进明等以TiCl4为原料、在十六烷基三甲基溴化铵、正己醇、水组成的微乳液体系中，在较低温度下，制备了球形、花状、捆绑丝和星形的金红石型TiO2纳米颗粒。微乳液法得到的粒子纯度高、粒度小而且分布均匀，但稳定微乳液的制备较困难。因此，此法的关键在于制备稳定的微乳液。 TiO2纳米材料的反应机理
2.1氧化钛纳米管形成的反应机理
目前，对二氧化钛纳米管的形成机理和组成尚存在分歧。一般认为，锐钛矿或者金红石相以及无定形二氧化钛在碱性条件下转换为纳米管都要经过单层的纳米片的卷曲，类似于多层碳纳米管形成的机理，即从1D到2D，再到 3D的组合过程。Sugimoto等研究证实了层状的质子化的二氧化钛纳米片的存在，Sun和Masaki各自报道了钛酸钾或者钛酸钠形成的纳米带。在碱性条件下，各种钛酸盐可以形成层状的结构，再通过折叠或卷曲形成纳米管，但折叠或卷曲的顺序
尚不确定。理论上钛纳米带折叠或卷曲形成纳米管时，可形成下列3种形状：（a）蛇形的，即单层纳米管的卷曲；（b） 洋葱式的，即几个有弱相互作用的纳米片的卷曲；（c）同心式的，通过卷曲或者折叠成多层的纳米管。但实际上，（c）种形状在合成时很难出现。Yao和Ma通过TEM研究分别证实了(a)和(b)构型钛纳米管的存在。
梁建等则认为钛纳米管的生长机理符合3-2-1D的生长模型，在水热合成的过程中，在高压高温和强碱作用下，二氧化钛块体沿着(110)晶面被剥落成碎片，在片的两面有不饱和悬挂键，随着反应的进行，不饱和悬挂键增多，使薄片的表面活性增强，开始卷曲成管状，以减少体系的能量，这一点从反应中间产物中观察到大量的片状及卷曲态得的到证明。Dimitry V. Bavykin[19]等系统地研究了合成温度以及TiO2/NaOH mol 比对制备二氧化钛纳米管形貌的影响。认为 图3-b 符合氧化钛纳米管的形成机理，并给出了形成机理的原始驱动力的解释。Dimitry V. Bavykin等进行了氧化钛纳米管形成的热力学和动力学研究。该模型见图4 能够很好的解释实验中增加TiO2/NaOH的摩尔比，氧化钛纳米管的平均管径也增大。同时也可以解释反应温度增加有利于纳米管的平均管径增大。
2.2 纳米管的热稳定性及氧化钛纳米管的晶型
由于二氧化钛纳米管为无定形结构，在热力学上，属于介稳态。因此研究温度对其热稳定性的影响颇有必要。王保玉等以TiO2为原料制备成TiO2纳米管，通过不同温度焙烧得到不同的样品，用TEM,XRD,FT-IR,BET等手段详细的研究了温度对晶型，比表面积的影响。研究表明，在300 ℃和400 ℃焙烧存在着两次比表面积的突降，用化学法合成的纳米管在400 ℃时，比表面积降到很小，管的结构严重被破坏。用化学法合成的纳米管是无定形的，而模板法制备的纳米管为锐钛矿型的。这可能是因为化学法制备的纳米管为多层，层与层之间不能形成三维空间的点阵结构。而王芹等研究则发现钛纳米管经过400 ℃热处理后能保持其纳米管的形貌，600 ℃有纳米管间烧结的现象，800 ℃时管的形状完全被破坏。可见合成方法的不同，氧化钛纳米管的热稳定性也有很大的差异。
Graham Armstrong等用水热法合成的氧化钛纳米管晶型为TiO2-B，具有竹子状的二氧化钛，是以TiO6八面体为基础通过共用边和共顶点形成的多晶，不同于锐钛矿相，金红石相和板钛矿相，密度比上述三种晶型都稍低。但XRD的 3
结果表明，TiO2-B的结构中仍还有痕量的锐钛矿相。梁建等用水热法合成，控制温度130 ℃，晶化时间2~3天，成功制备了多层的锐钛矿和金红石混晶的TiO2纳米管。王保玉等研究发现，氧化钛纳米管为多层管，每个单层相当于 一个氧化钛分子的厚度，层与层之间不在以化学键存在，Ti在纳米管中的配位和八面体结构未达到饱和，拉曼光谱表明，TiO2纳米管以无定型的形态存在。Tomoko Kasuga等用10 M NaOH溶液水热条件下110 ℃处理20小时，得到具有针状结构的纳米管，晶型为锐钛矿型。可见纳米管的晶型，随着水热处理的温度和时间变化而有所不同。 TiO2纳米材料的的二级结构
在水热处理的过程中，除了生成纳米管本身的一级结构外，还存在纳米管之间的聚集，因而产生了氧化钛纳米管的二级结构。Dimitry V. Bavykin等研究发现，纳米管的二级结构取决于前驱体二氧化钛的量和所用NaOH的体积，其比例越小，生成的氧化钛纳米管越倾向聚集成球状。这可能是由于在水热条件下生成纳米管的过程是一个比较缓慢的过程，影响因素较复杂造成的。 TiO2纳米材料的改性
TiO2纳米材料的很多应用都是和其光学性质紧密相连的。但是，TiO2的带隙在一定程度上限制了TiO2纳米材料的效率。金红石型TiO2的带隙是3.0eV，锐钛矿型是3.2eV，只能吸收紫外光，而紫外光在太阳光中只占很小的一部分（<10%）。因而，改善TiO2纳米材料性能的一个目的就是将其光响应范围从紫外光区拓展到可见光区，从而增加光活性。目前经常采用的改性方法包括贵金属沉积、离子掺杂、染料敏化和半导体复合等方法。
5.1 贵金属沉积
半导体表面贵金属（包括Pt、Au、Pd、Rh、Ni、Cu和Ag）沉积可以通过浸渍还原、表面溅射等方法使贵金属形成原子簇沉积附着在TiO2表面。由于贵金属的费米能级比TiO2的更低，光激发电子能够从导带转移到沉积在TiO2表面的贵金属颗粒上，而光生价带空穴仍然在TiO2上。这些行为大大降低了电子和空穴再结合的可能性，从而改善其光活性。Anpo和Takeuchi制备了Pt沉积TiO2用于光催化分解水制氢实验，发现产氢效率得到了明显提高。Sakthivel等研究了用Pt、Au和Pt沉积TiO2做光催化剂时对酸性绿16的光致氧化作用，发现与未沉积贵金属的TiO2相比，光催化效率得到了不同程度的提高。 5.2 离子掺杂
TiO2半导体离子掺杂技术是用高温焙烧或辅助沉积等手段，通过反应将金属离子转入TiO2晶格结构之中。离子的掺杂可能在半导体晶格中引入缺陷位置和改变结晶度等。影响了电子和空穴的复合或改变了半导体的激发波长，从而改变TiO2的光活性。但是，只有一些特定的金属离子有利于提高光量子效率，其他金属离子的掺杂反而是有害的。Choi等系统地研究了21种金属离子掺杂对
TiO2光催化活性的影响，发现Fe、Mo、Ru、Os、Re、V和Rh离子掺杂可以把TiO2的光响应拓宽到可见光范围，其中Fe离子掺杂效果最好，而掺杂Co和Al会降低其光催化活性。Wu等定性分析了过渡金属(Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)离子掺杂对TiO2的光催化活性的影响。Xu等比较了不同稀有金属(La、Ce、Er、Pr、Gd、Nd和Sm)离子掺杂对TiO2光催化活性的影响。
阴离子掺杂可以改善TiO2在可见光下的光催化活性、光化学活性和光电化学活性。在TiO2晶体中掺杂阴离子（N、F、C、S等）可以将光响应移动到可见光范围。不像金属阳离子，阴离子不大可能成为电子和空穴的再结合中心，因而能够更有效地加强光催化剂的催化活性。Asahi等测定了取代锐钛矿TiO2中O的C、N、F、P和S的掺杂比例。发现p态N和2p态O的混合能使价带边缘向上移动从而使得TiO2带隙变窄。尽管S掺杂同样能使TiO2带隙变窄，但是由于S离子半径太大很难进入TiO2晶格。研究表明C和P掺杂由于掺杂太深不利于光生电荷载体传递到催化剂表面，所以对光催化活性的影响不是很有效。Ihara等将硫酸钛和氨水的水解产物在400℃的干燥空气中煅烧，得到了可见光激发的N掺杂TiO2光催化剂。
5.3 染料敏化
有机染料被广泛地用作TiO2的光敏化剂来改善其光学性质。有机染料通常是具有低激发态的过渡金属化合物，像吡啶化合物、苯二甲蓝和金属卟啉等。Yang等用联吡啶、Carp等用苯二甲蓝染料作为感光剂敏化TiO2,发现这些染料可以改善光生电子空穴对的电荷分离，从而改善了催化剂的可见光吸收。
5.4 半导体复合
半导体复合是提高TiO2光效率的有效手段。通过半导体的复合可以提高系统的电荷分离效率，扩展其光谱响应范围。从本质上说，半导体复合可以看成是一种颗粒对另一种颗粒的修饰。Sukharev等将禁带宽度与TiO2相近的半导体ZnO与TiO2复合，因复合半导体的能带重叠使光谱响应得到发展。通过对ZnO/TiO2、TiO2/CdSe、TiO2/PbS、TiO2/WO3等体系的研究表明，复合半导体比单个半导体具有更高的光活性。GurunathanK等将CdS（带隙2.4eV）和SnO2（带隙3.5eV）复合在可见光下制氢得到了更高的产氢率。 总结与展望
针对TiO2纳米材料的性质、合成、改性和应用，人们已经做了广泛的研究。随着TiO2纳米材料的合成和改性方面的突破，其性能得到不断地改善，新应用也不断的被发现。但从目前的研究成果看，可见光催化或分解水效率还普遍很低。因此如何通过对纳米TiO2的改性，有效地利用太阳光中的可见光部分，降低TiO2光生电子空穴对的复合机率，提高其量子效率是今后的研究重点。
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纳米材料论文 篇五
摘要：伴随着科学技术的发展， 功能化纳米材料的应用成为了顺应时代的发展的必然趋势。在对相关技术项目进行全面分析的过程中， 要对其原理进行生物分子检测， 有效结合组织工程学分析相关研究效果。对无机纳米材料表面化学分析进行阐释， 并集中讨论了纳米材料表面化学在生物分析中的应用。
关键词：纳米材料； 表面化学； 生物分析； 应用；
1、无机纳米材料表面化学分析
纳米材料形成后， 表现会完全呈现出无机界面， 并且能有效包裹在表面活性剂中， 其本身并不具备生物动能， 且不能直接应用在细胞或者是生物活体上。基于此， 相关操作人员要对其进行表面化学的改性处理和修饰， 保证纳米材料生物功能得以发挥。并且， 在纳米材料表面化学研究体系内， 主要是对生物相容性、生物稳定性以及生物分散性等进行集中传递， 保证纳米颗粒研究效果更加直观[1]。
1) 表面物理化学性质出现变动， 多数无机纳米材料都是非极性物质， 基本的沸点较高， 要求在高温环境中形成， 表面都会出现油胺、油酸以及三辛基氧膦等物质， 能溶于非极性溶剂中。在对生物应用进行分析的过程中， 纳米材料溶解在水相中， 具备非常好的分散性以及稳定性， 为了其能发挥实际价值， 就要对溶解性等数据等予以综合处理， 整合表面改性。目前， 较为有效地表面改性处理机制就是替代法， 能和无机材料亲和力更好的分子进行处理， 完善替代性处理效果。
2) 进行靶向修饰操作， 主要是借助靶向功能分子完成基础的处理工作， 利用识别靶细胞的过程有效对受体进行识别处理， 将定位体系确定在目标组织中， 并且有效发挥相关物质的治疗和诊断功能。
3) 生物传感和检测。因为纳米材料本身具备光信号、电信号的传递能力， 因此， 在生物电子和生物传感器设计工作中， 要发挥纳米材料的生物相容性特征， 规避生物识别能力较差的弱项， 合理性完善纳米材料生物功能水平。并且， 进行生物传感处理后就能提升生物分子和组织细胞的固定能够效果， 也能借助生物高特异性判定相关数据， 构建更加有效的生物传感系统。
2、纳米材料表面化学在生物分析中的应用
2.1 细胞分析
伴随着科学技术的发展， 将技术应用在生物体系中， 主要利用的就是生物传感机制。目前， 生物体传感项目主要分为细胞结构、活体结构等， 相较于传统的研究项目和分子结构探针元素， 纳米材料能有效提升影像信号的强度， 并且整体细胞结构的靶向性能更加突出， 能为代谢动力学可控效果优化奠定基础。例如， 正电子发射断层成像技术、电子计算机技术以及核磁共振技术等都是较为常见的技术项目[2]。
(1) 将纳米探针应用在细胞环境中。细胞微环境中， 主要的影响因素不仅包括p H数值和细胞因子， 也包括氧化还原环境等， 温度和离子浓度也会对其产生影响。目前， 主要的研究方向就是对早期淋巴祖细胞进行环境分析和系统化数据处理。相关部门在对这项技术进行深度研究和探讨， 旨在为干细胞移植工作和化疗治疗提供更加有效的技术体系。例如， 在高p H环境中， 多巴胺分子处于不稳定的状态， 就会发生氧化还原反应， 形成多巴醌， 这种物质本身具有较强的还原势， 在对其进行量子点电子激态处理的过程中， 能形成转移就会对辐射跃迁造成影响， 造成荧光动态淬灭。
(2) 将纳米探针应用在酶活性测定项目中， 尤其是酶催化反应过程。因为在肿瘤组织中， 酶本身就会出现变动， 利用水解细胞结构间质的方式， 癌细胞就会从原发部位直接脱落， 借助血液循环实现癌症的转移， 正是对其异常问题进行分析后不难发现， 有效借助那么纳米探针对酶结构异常表达进行测定对医疗项目研究具有重要意义和价值。
2.2 癌症诊疗
化疗治疗过程在医学研究中具有重要意义和价值， 在临床化疗中主要应用的是阿霉素以及紫杉醇等药物， 药物依旧存在靶向性不好的问题。目前， 较为有效的靶向性处理机制中， 主要是借助主动靶向完成纳米药物的运输， 并且对肿瘤成像以及治疗过程进行约束和管理。基于此， 合理性将纳米材料表面化学应用在癌症治疗中， 能对包裹和吸附过程进行控制， 并且有效达到缓释的效果， 减少副作用对人体的伤害。在纳米技术不断发展的背景下， 二氧化硅、贵金属以及氧化铁纳米颗粒等物质的应用范围更加广泛， 能有效完成靶向处理以及药物释放过程的可控性， 从根本上推进了诊疗一体化以及药代动力学体系的融合， 也为诊疗水平和效果的优化奠定了坚实基础[3]。
3、结束语
总而言之， 在对纳米材料表面化学在生物分析中应用进行研究的过程中， 要结合科学技术的发展现状， 并且有效结合临床诊疗效果， 完善材料分析的同时， 对靶向性等因素予以集中分析， 促进生物分析和药物治疗水平的全面进步。
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纳米论文 篇六
浅谈纳米尺寸效应及其应用
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 小尺寸效应。现在从尺寸效应探讨其特性和应用。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。量子尺寸效应指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（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级，表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。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），直观上表现为样品颜色的变化，如CdS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。同时，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异的光电催化活性[5,6]。
第页 纳米材料与技术是在20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿交叉性新兴学科领域，它与住处技术和生物技术一起并称为21世纪三大前沿高新技术，并可能引导下一场工业革命。
纳米技术是严谨的高新交叉技术，人类刚刚迈进门槛，就显现出其强大的生命力。有些纳米材料（如纳米金刚石）经过表面改性和分散，可以均匀分布到聚合物的熔融体中，经过喷丝、冷却形成具有特殊功能的纳米纤维，添加比列很低，但每根短纤维上有成千上万个纳米颗粒。可以作成高抗磨、自清洁、防雨、防紫外线、防静电、杀菌、红外隐形等功能布料，很有发展前景。
将人类带入新的微观世界。人类可以从新的纳米技术领域获得很大好处。利用这项技术的目的是在纳米尺寸上操纵物质，以创造出具有全新分子组织形式的结构。这有可能改变未来材料和装置的生产方式，并且给人类带来巨大的经济益处。
比如，利用精确控制形状和成分的纳米“砖块”，人类有可能合成出自然界没有的材料。然后可以把这些材料组装成更轻更硬的较大结构，而且这种结构还具有课设计性。例如，美国国家科学技术委员会曾经发布的一份研究报告就描述了这些设想的特种新奇材料的特性。这些材料具有多种功能，并能够感知环境变化而且作出相应的反应。比如，预计会出现一种强度是钢铁10倍的材料，具有超导弹性，透明材料和具有更高熔点的材料。吧纳米技术用于储存器，那么可以是整个图书馆的信息放入只有糖块一样大的小装置中。也就是说，纳米技术不只是向小型化迈进了一步，而且是迈入了一个崭新的微观世
第页 界。
传统的解释材料性质的理论，只是用于大于临界长度100纳米的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度，那么物质的性质就常常无法用传统的理论去解释。而科学家正试图在大哥分子或原子尺度到十万个分子的尺度之内发现新奇的现象。
美国国纳米技术计划初期研究的重点是，在分子尺度上具有新奇的特性并且系统、物理和化学性能有明显提高的材料。比如，在纳米尺度上，电子和原子的交互作用受到变化因素的影响。这样，在纳米尺寸上组织物质的结构就有可能使科学家在不改变材料化学成分的前提下，控制物质的基本特性，比如磁性、蓄电能力和催化能力等。又如在纳米尺度，生物系统具有一套成系统的组织，这使科学家能够把人造组件和装配系统放入细胞中，以制造出结构经过组织后的新材料，有可能使人类模拟自然的自行装配。还有，纳米组件有很大的表面积，这能够使它们成为理想的催化剂和吸收剂等，并且在放电能和向人体细胞施药方面派上用场。利用纳米技术制造的材料与一般材料相比，在成分不变的情况下体积会大大缩小而且强度和韧性将得到提高。
美国西北大学开发的一种比色传感器，已经成功探测出结核杆菌。科学家把探测对象的DNA附加在纳米大小的黄金微粒上。当互补的微粒在溶液中存在时，黄金微粒会紧紧地结合在一起，改变悬浮液的颜色。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由
第页 于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微粒而言，尺寸变小，同时其比表面积也显著增加，从而产生如下的新奇的性质：特殊的光学性质、热学性质、磁学性质和力学性质。具体的光学性质是当黄金被分割到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，尺寸越小，颜色愈是黑。由此可见，金属超微颗粒对反光的反射率很低。热学性质具有高矫顽力的特征，已经作为高储存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带。利用磁性，人们已经将磁性超微粒制成用途广泛的磁性液体。力学性质是具有良好的任性。因为纳米材料具有大的界面，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容易迁移，因此变现出很好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是有磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属比传统的粗晶粒金属硬3到5倍。
一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。
我们对纳米材料的认识还远远不够，还需要不断的探索和研究。相信通过不断的深入，一定会使纳米在更多的领域里发挥作用，服务于生产和生活。
第页
参考文献：
张力德、牟季美《纳米材料和纳米结构》科学出版社，2002 陈敬忠、刘剑洪《纳米材料科学导论》高等教育出版社，2006 黄昆原著，韩汝琦改编，《固体物理学》高等教育出版社，1988
第页
纳米材料论文 篇七
摘要：《纳米材料》是一门新兴的、多学科穿插性课程，触及凝聚态物理、化学、材料、生物等范畴。针对该课程学问点冗杂、概念笼统等特性，分离本身教学经历和课程特性，从该门课程的教学目的、教学内容、教学办法与手腕等方面停止了系统的探究和变革，以到达进步教学质量的目的。
关键词：纳米材料，教学办法，教学质量
中图分类号：G4 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2013）06（b）-0000-00
纳米科技是20世纪80年代末逐渐开展起来的新兴学科范畴，它触及到凝聚态物理、化学、材料、生物等范畴[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推进人类将来开展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有普遍的应用前景。纳米科技的迅猛开展将促使简直一切的工业范畴产生一场反动性的变化。
纳米材料是纳米科技的根底，对纳米材料的学习，是顺应将来社会对材料专业人才的需求。在教材的方面，不断没有一本面向研讨生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学办法与手腕等方面对高等院校材料类研讨生专业停止纳米材料课程的教学变革停止讨论。
1 教学目的制定
课程的目的是经过课堂教学，使硕士研讨生可以理解、控制纳米科学与技术的概念、分类及其特性，理解和控制纳米材料的根本物理和化学性能；控制纳米材料的主要制备办法和原理；控制纳米材料的构造剖析测试办法；理解纳米材料的生物毒性和平安性；理解纳米材料在不同范畴的应用现状和应用前景以及最新研讨停顿，以便使学生理解和把握当今纳米科学的最新研讨前沿
2、教学内容的选择
目前，纳米材料正蓬勃开展，其触及的面也越来越普遍，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反响动力学和外表、界面等多中学科，内容普遍[2]。随着纳米科技的兴起，也呈现了很多引见纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和材料，对推进纳米科技的安康开展起了很好的作用。但是，在教材的方面，不断没有一本面向研讨生教学的、较系统性的纳米材料的教材。依据笔者从事纳米材料课程教学的理论，以为要到达前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的根本概念、开展史；纳米材料的分类及其特性；纳米材料的根本物理和化学性能；纳米材料的主要制备办法和原理；纳米材料的构造剖析测试办法；纳米材料的生物毒性和平安性；纳米材料最新研讨停顿。依据教学内容特性，能够思索将教学内容分会以下6个局部。
2.1 绪论
从纳米材料的新奇特性开端，讲述纳米材料的内涵和根本概念以及开展史。依据材料的分类办法讲述纳米材料的分类办法及特性。讲述纳米材料的根本构造单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、外表效应、宏观量子隧道效应等根本性能。并分离我国纳米材料研讨现状和学生研讨方向停止相关讨论，激起学生对纳米材料的猎奇心和求知欲。
2.2 纳米材料物理化学性能
主要内容触及纳米材料的构造和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、聚会等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与构造关联，依照根本构造-根本特性-特殊构造-特殊效应-特殊功用-特殊应用这一思绪，引领学生深化考虑，能够起到触类旁通效果。
2.3 纳米材料的制备办法和原理
依照纳米材料维数分类办法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备办法和根本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相办法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相办法。并分离学生研讨方向对相关材料和办法停止细致讨论，使学生控制相关制备办法，为随后的研讨奠定坚实的根底。
2.4纳米材料的构造剖析测试办法
主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。经过学习，使学生控制纳米材料测试的主要办法和仪器，并控制各种仪器的优缺陷和适用范围。同时，也使同窗们认识到纳米材料研讨的高技术特性。
2.5纳米材料的生物毒性和平安性
主要包括纳米材料的生物毒性和平安性。依据已有的相关研讨报道，引见一些纳米材料的生物毒性，让学生们理解纳米材料的缺乏之处，控制相关的平安操作规则，以便在随后的纳米材料相关研讨中防止呈现平安事故。
2.6最新研讨停顿
依据纳米材料的最新研讨热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技范畴国际最新研讨动态，让学生理解国际最新研讨热点。
3、 教学办法与手腕
3.1 多媒体教学
针对纳米材料课程内容普遍，学问点多的特性，采用多媒体教学方式。应用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，能够使教与学的活动变得愈加丰厚多彩，又能够将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同窗们。从而激起学生的学习兴味，促进学生思想开展，丰厚学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，能够动画的方式展示，便当学生们了解。讲述纳米材料的制备办法时，能够经过表示图的方式展示，更容易让学生了解和控制。
3.2交互式讨论
应用交互式讨论教学方式。依据学生的兴味，分离课程内容，将学生划分多个课题小组，停止课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生经过文献查阅等方式理解该办法；其次，在课堂上就该办法、原理和理论应用停止充沛讨论和剖析；最后教师指出该内容的重点和难点。经过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体位置，尊重学生的主体认识；创设民主、对等的课堂气氛，让学生充沛发表本人对问题的见地，发挥学生的主管能动性，变被动承受为主动探究；使学生的创新认识、发明性思想才能得到不时的开展[3]。
3.3理论操作相分离
纳米材料是一门理论性很强的课程。在课程教学中要充沛与理论相分离，依据学生的研讨方向，分离课程内容，布置学生停止相关实验。经过详细的实验使学生对纳米材料有更多的理性认识。触及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，分离详细状况，可布置一定时间上机察看和操作。
4、结语
纳米材料是纳米科技的根底，对纳米材料的学习，是顺应将来社会对材料专业人才的需求。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学办法与手腕等方面对高等院校材料类研讨生专业停止纳米材料课程的教学变革停止系统的讨论，理论证明，这些举措的施行获得了良好的教学效果，为培育学生的创新思想和科研肉体起到了一定的作用
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纳米材料论文 篇八
摘要：本文主要研究了污染物的光催化降解原理， 进一步分析了光催化纳米材料在环境保护工作中的应用， 同时对于光催化纳米材料的应用趋势和方向也进行了必要的研究， 希望对这一工作的开展提供一定的指导作用。
关键词：光催化； 纳米材料； 环境保护；
工业废水和废气中都含有较多的毒害物质， 比如有机磷农药或是二氯乙烯等， 这些物质对于人体的影响都是十分明显的。传统的水处理方式， 比如吸附法、混凝法等方法在现阶段实际应用环节中仍然存在较大的困难， 效果并不理想， 所以在今后的实际发展过程中就需要不断探索和获取一种经济、合理的方式， 实现对传统方法处理后水中的残留物质进行更有效的降解。1976年， 科学家在对紫外线光照射下对纳米Ti O2进行了研究， 发现这种方式可以将难以降解的有机化合物多氯联苯脱氯进行有效降解。当前， 已经发现超过3000余种难降解的有机化合物都可以借助此种方式进行降解， 尤其是水中有机污染物浓度较低或是其他降解方式不佳的时候， 这项技术更是能发挥出前所未有的技术优势。
一、光催化纳米材料
光催化的纳米材料采用的绝大多数都是金属氧化物或是硫化物等半导体材料， 是一种特殊的电子结构。和金属相比， 这种半导体存在明显的不连续性， 在对电子的低能价带进行填满的过程中会和空的高能导带存在明轩的禁带， 所以当二者产生的能量大于光照射的时候， 在价带上的电子就会被转移到导带上， 最终在半导体表面形成具备高活性的电子[1]。
二、光催化降解原理
在光催化反应中， 获取光激发所出现的空穴， 和对给体或是受体产生的作用也是有效的。所以在实际工作中为了确保光催化反应能更有效的进行， 就应该适当降低电子和空穴之间的简单复合。
三、光催化纳米材料在环保中的应用
(一) 光催化纳米技术在污水处理中的应用
传统的水处理方式中可以对污水中出现的悬浮物质或是泥沙等大颗粒的污染物进行去除， 但是对于浓度较低的可溶性物质却很难进行有效的处理， 并且由于这项工作的工作效率比较低， 花费的经济成本比较高， 所以很多时候并不能进行有效的处理。但是借助纳米材料的光催化方法， 就可以将很多难以降解而定污染物进行合理转变， 从而将原本水中的污染物转化为水分子或是二氧化碳等无污染的分子物质。
比如在对有机废水的处理环节中， 光催化纳米材料就可以将水中的绝大多数有机污染物进行转化， 使其成为无污染的物质， 比如可以将酸。表面活性剂等有机污染物进行氧化， 使其转变为水或二氧化碳等无害的物质。借助纳米材料可以的对物质表面性能进行转变， 通过这种方式对水中纳米的分散性进行优化。从而实现对光激发作用下产生的电子和空穴复合问题进行抑制， 进一步实现对催化活性的提升[2]。
再比如对无机废水的处理环节中， 由于无机物在纳米粒子表面存在明显的光化学活性， 因此光催化纳米材料后所出现的电子和空穴都可以对高氧化状态的物质进行还原， 也就是借助此种方式实现对无机物污染的有效消除。
(二) 光催化纳米技术在大气污染治理中的应用
对大气污染产生影响的主要成分就是二氧化硫、一氧化碳等物质， 这些气体如果长期存在于空气中必然会对人体的健康造成不利的影响。光催化剂可以和一些气体吸附剂进行有效结合， 从而更有效的实现对降解浓度的有效降低。
将一些对日光有相应的半导体纳米材料涂抹在墙壁或是其他合理的位置上可以形成空气清洁剂的作用， 而二氧化硫、一氧化碳等物质吸附在上面的时候， 就可以在光的作用下被转变为无害物质， 这种方式对于去除臭气的影响也是十分重要的环节[3]。纳米对于氟利昂具备较强的光催化活性， 因此将这以技术进行融合后， 可以在表面对酸性进行催化， 通过这种方式获取较高的光催化活性作用， 这对于物质稳定性的提升也将起到一定的帮助作用。
此外， 纳米技术还能对室外的气象有机污染物进行分解， 比如在紫外线的照射下， 纳米材料可以将室内装饰建材中产生的甲醛、氯乙烯等物质进行有效分解。将活性炭纤维作为重要载体的过渡金属离子中适当进行纳米材料光催化剂的融合， 通过此种方式将紫外线光照射下浓度更低的甲醛进行或降解， 但是这种技术手段对于浓度高的污染物降解效果比较差， 同时由于使用时间的增加， 最终催化剂的活性也将大大降低， 最终甚至会出现活性的完全消失。
结束语：
综上所述， 光催化纳米材料在当前环境保护中有着越来越显着的应用， 不仅可以对难处理的污染物进行有效处理， 同时还能借助自身的吸附作用对低浓度的有害物质进行分解。在当前光催化纳米技术的不断发展过程中， 环境保护工作效率和质量也必然会得到显着提升。总而言之， 当前我国环境保护工作已经受到了越来越多的影响， 甚至对人们的身体健康产生了威胁， 所以在此种背景下， 更需要加强对相关技术的研究， 不断为我国环保工作的顺利开展提供帮助作用， 实现可持续工作的顺利进行。
参考文献
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[2]王骞。Ti O2光催化纳米材料在环境保护中的应用[J].鞍山师范学院学报， 2016， 13 (06) ：17-20.
[3]于兵川， 吴洪特， 张万忠。光催化纳米材料在环境保护中的应用[J].石油化工， 2014， 36 (05) ：491-495.
以上就是众鼎号为大家整理的8篇《纳米材料论文》，希望可以启发您的一些写作思路。
