纳米知识点与问题详解

1、第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是研究在千万分之一米 （107）到十亿分之一米 （10 9 米），原子、分子和 其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度围对原子、 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控制在 100 纳米以下的具有特殊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

2、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围。 性能：第二、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出奇 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

3、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， 金属费米能级附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表 面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁

4、、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。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 （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能力称为隧道效应。近年来，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

5、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原因 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

6、体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的 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原因 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互相 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， 有利于界面附近 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、什么是宽频带强吸收 大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光围各种颜色(波长 )的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸

7、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，而吸收率相当高。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，强吸收率导致粒子变黑。17、纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因1) 尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面力有差异，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 红外吸收宽化的原因之一。2) 界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面 原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。与常 规大块材料

8、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收的频率也就存在一个较宽的分布。18、什么是纳米材料吸收光谱的蓝移与大块材料相比， 纳米微粒的吸收带普遍存在 “蓝移”现象， 即吸收带移向短波长方向。19、纳米材料吸收光谱蓝移的原因1) 量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽，从而导致光吸收带移向短波方向。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) 表面效应：纳米颗粒大的表

9、面力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化 物的研究表明， 第一近邻和第二近邻的距离变短， 键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振 动频率增大，结果使红外吸收带移向高波数。20、什么是纳米材料吸收光谱的红移现象在一些情况下，当粒径减小至纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料的“红移” 现象，即吸收带移向长波长。21、金属纳米颗粒材料电阻增大原因 纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡 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可忽视，最后温升造成的热激发电子对电 导的贡献增大，

10、即温度系数变负。22、纳米材料的超顺磁性及原因 铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时， 进入超顺磁状态。 其原因是： 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 ,结果导致超顺磁性的出现。 此时磁化率不再服从居里外斯 定律。23、纳米材料的高矫顽力及原因 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) 一致转动模型； (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

11、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， 必须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 模型预测值通常偏高。球链模型认为，由于净磁作用球形纳米 Ni 粒子形成链状，以此 作为理论推导的前提。24、“摔不碎的陶瓷碗”的原因 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。 因为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 下很容易迁移，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原因 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

12、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，许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧。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，同时催化选择性也增强。第二章1、什么是光催化 纳米半导体材料在光的照射下， 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、光照射纳米 TiO2 的反应(可用反应式表示)3、光生空穴在光催化剂表面发生的氧化还原反应： 4、光生电子在光催化剂表面发生的氧化还原反应：5、

13、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 的原因与体相材料不同， 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还原及氧化能力，从而产生了光催化性能。（2）计算表明，在粒径为 1 m 的 TiO2 粒子中，电子从体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

14、复合几率越小，电荷分离效果越好，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 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能力，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

15、子-空穴的分离效率，抑制电子空穴的重新结合。目前光催化剂的改性研究主要针对 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原因 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改变。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，减少了 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离

16、以及降低还原反应 （质子的还原、溶解氧的还原 ）的超 电压。 贵金属修饰 TiO2 通过改变体系中的电子分布， 影响 TiO2 的表面性质， 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，光生电子将聚集在 TiO2 的导带上， 而空穴则聚集在 CdS 的价带上，使得光生载流子得到有效的分离，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 TiO

17、2 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离， 从而提高光催化 的效率。分离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TiCl4 气相氢火焰水解法TiCl4 气相氧化法 钛醇盐气相分解法TiCl4 (g) 2H2(g) O2 TiO2(s) 4HCl(g)TiCl4( g ) +O2 ( g) TiO2 ( s) + Cl2 ( g) nTi(OC4H9R)4 (g) nTiO2 (s) +

18、 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 物理气相法H2O (s) + H2O (g)TiO2 H2O (s) TiO2 (s) + H2O (g)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、叙述水解法制备纳米 TiO2 粉体的过程 将 TiCl4 和钛醇盐溶液在一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，

19、性能优异， 纯度高，形状易控制。15、叙述溶胶 -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，加入一定量的酸，起抑制水解 的作用，再浓缩成透明凝胶，经干燥热处理即可得 TiO2 纳米粒子16、叙述溶胶 -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，然后采用浸渍 提拉或旋涂法在基体上制备 TiO2 薄膜。它具有制备温度低，工艺简单，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

20、度高。17、分析溶胶 -凝胶法 制备纳米 TiO2 粉体和薄膜的区别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 路线的选择是降低生产成本的关键因素；纳米 TiO2 的晶型和粒度控制技术；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 Clu

21、ster）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

22、现 C60就是采用激光轰击石墨 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。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，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

23、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，因为剧毒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，因此它在能提供配对电 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嵌，而不是在笼子的表面呢？ 气态下用 C2 单元撞击“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 直接观察 用同步辐射 X 射线散射法。 该法不仅能够观察金属原子是在笼还是笼外， 还能观察金属原子在笼的具体位置及价态。 实验证明金属原子不处于中心位置8、辨别富勒烯的化学反应主要由氢化

24、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，按照石墨烯片的层数，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 0.75 3nm 和 1 50 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。形状象个同 轴电缆。 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 2 30

25、nm 和 0.150m。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、分离 CNT ，常见的分离办法有1. 按长度分离。 CNT 的长度不一样，其密度也会不一样。 采用离心法可以分离不同长 度的的 CNT 按直径分离。 采用某些方法， 如光照法， 可以将 CNT 的直径分布限制在某个特定围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 也可以分离(但该办法只 适合于直径小于 1.1nm的 CNT)2. 2003 年，双向电泳法出现，它是一种能捕捉到80% 以上金属性 CNT 的方法12、CNT 的化学