纳米材料物理基础吸附性能

1、纳米材料物理基础课程论文一 纳米材料物理基础基本概念讲到纳米材料的基本概念，首先要了解到的就是什么是纳米？纳米是一种几何尺寸的单位，长度仅为一米的十亿分之一，即10-9m。一般来说，1-100um的区域称之为微米世界，而将1-100nm的区域称之为纳米世界。纳米材料则可以定义为1-100nm范围内以及含有此类尺度大小的材料。由于其如此小的尺寸，必然具备以往材料难以具备的新特性和功能。纳米材料的兴起与发展纳米材料从兴起到现在, 它的研究发展阶段大致可分为以下三个阶段。第一阶段( 1977- 1990 年)，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议( NTS-1) 为标志，纳米材料科学正式

2、成为材料科学的一个新分支。第二阶段( 1990- 1994 年)，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。第三阶段( 1994- 至今)，纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装纳米结构体系。纳米效应当微粒的尺寸进入纳米量级( 1 100 nm) 时，其本身和由它构成的纳米固体具有如下四个方面的特异性效应，也称为纳米效应。1 小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性边

3、界条件被破坏，材料表层附近原子密度减小所致，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应，它是其它效应的基础。2 表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例如，利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点，在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效率。3 量子尺寸效应量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分

4、散能级的现象。早在60年代就采用电子模型给出决定能级间距的著名公式： 其中为能级间距，为费米能级，为总电子数。对常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数），故常规材料的能级间距几乎为零（）；而对纳米粒子，因其含原子数有限，有一定的数值，即能级发生了分裂。当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等。4 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以及电荷等也具有贯

5、穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有重要意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，将会是未来微电子器件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述量子效应。上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁性的物质进入纳米级( 5 nm)，因由多畴变成单畴而显示极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂等。由纳米微粒构成的纳米固体也是如此。例如，纳米金属铜的比热是传统纯铜的2

6、倍；纳米固体钯的热膨胀提高1倍；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等。世界个主要国家国家级纳米科技计划为了在21世纪继续保持美国在经济上的领导地位并保障美国的国家安全，2000年1月21日，美国总统克林顿在加州理工学院正式宣布National Nanotechnology Initiative （ NNI计划），整合美国各相关机构的力量，加强对纳米尺度的科学、工程和技术研发工作的协调，将纳米科技视为下一次工业革命的核心，认为纳米科技将对二十一世纪早期的经济和社会产生深刻的影响。该计划于2000年11月得到美国国会批准。日本、德国、法国、英国等主要发达国家

7、以及欧盟分别出台了各自的纳米计划，韩国政府20012003年间相继制定了促进纳米科技10年计划、促进纳米技术开发法与纳米技术开发实施规则；我国台湾自1999年开始也相继制定了纳米材料尖端研究计划与纳米科技研究计划。俄罗斯、加拿大、澳大利亚、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰国、埃及、土耳其等国家也对纳米科技发展进行了部署，全球总计已有50多个国家和地区制定了战略性的纳米科技计划。我国方面先后成立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会；2001年7月发布了国家纳米科技发展纲要(20012010)；近期目标以纳米材料及其应用为主，中、长期目标瞄准纳米生物和医疗技术、纳米电子

8、学和纳米器件。希望在纳米科学前沿取得重大进展，在纳米技术开发及其应用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍。在纳米科技基础建设方面，要建立具有国际先进水平的国家纳米科学技术发展公用平台和重点实验室系统、纳米科技信息网络和科研开发网络，形成若干各具特色的、具有国际一流水平的纳米科技创新基地，构筑国家纳米科技研究与开发创新体系。 纳米技术的应用及前景纳米材料的应用在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。例如，松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带，具有图像清晰、信噪比高、失真小的优

9、点。在半导体器件上的应用。纳米微电子材料的发展不但可以将集成电路进一步减小, 还可以研制出能够在室温使用的单原子或单分子构成的各种器件。纳米技术必将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件及其它应用领域发挥重要的作用。在传感器上的应用。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料。由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感，外界环境的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快，灵敏度高。例如，利用纳米NiO，FeO，CoO- Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化，可制成温度传感器（温度计、热辐射计）等。在催化方面的应用。纳米

10、粒子表面积大、表面活性中心多，是一种极好的催化材料。它不但可以大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能完全进行。如利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。在工程方面的应用。纳米固体界面积巨大，熔点低，通常在高温下烧结的材料( 例如，SiC，WC，BN等)在纳米态下可以在较低温度下进行烧结，且不用添加剂仍然使其保持良好的性能。由于复相材料的熔点、相变温度不同，使其烧结比较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低，也使其相变温度降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能好的复相材料。例如，传统方法合成的BaTiO3体材料，其烧结温度大

11、于900摄氏度，而BaTiO3纳米粒子的合成，其灼烧温度为650摄氏度。在医学、生物工程上的应用。纳米粒子与生物体有着密切的关系，如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，同时生物体内的多种病毒也是纳米粒子。使用纳米药物不但可以杀灭人体内的细菌和病毒，清除人体内的垃圾，还可以有效地杀死癌细胞，它最大的优势在于用量达到临床使用剂量的4000多倍时，受试动物也无中毒表现，同时也不会使细菌产生耐药性。由于纳米粒子比红血球小得多，可以自由在血液中活动，因此，可以注入各种纳米粒子到人体各个部位，检查病变和治疗。另外，可用纳米SiO2微粒进行细胞分离等。 纳米材料的危害 近年来，由于纳米技术和纳米材料所带

12、来的经济效益和技术进步，国内外的研究和相关投资都极为可观。随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现，其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。然而，任何一项新的技术都会带有“双刃剑”的两面性，存在其风险性，这是20世纪科学技术发展使人类得到的经验和共识，纳米科学技术也不例外。 据自然杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学的研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域，即嗅球区，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告中

13、指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米颗粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都表明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。当物体缩小到纳米尺度，它的性质会发生明显变化。实验表明，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克的纳米二氧化硅，小白鼠就会立刻毙命。类似的实验还有，在含有直径为20纳米的聚四氟乙烯塑料颗粒的空气中生活15分钟的实验鼠，大多数在随后的4小时内死亡；而暴露在含有直径120纳米颗粒的空气中的对照组实验鼠则安然无恙。纳米材料污染一旦进入人体，比普通污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒比微米颗粒数量

14、多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小的剂量下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附能力很强，荣比把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。纳米科学是一门新兴的科学，正处于不断发展完善之中，很多研究仍处于定性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有：1、如何准确表征纳米材料的各种精细结构。2、如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。3、能否利用某种判据来预测微区尺寸减少到多大时， 材料表现出特殊的性能。4、纳米材料的危害方面更是有待更多纳

15、米科学家和生物学家的合作，寻求有效的防止纳米材料危害生物体的方法和措施。在此基础上，逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分布的控制，最终向实现根据材料的性能要求，设计、合成目标纳米复合材料和设计组装具有特殊功能的微系统的方向发展，并开发其广阔的应用领域。二 纳米材料的吸附性能 纳米尺度下，金属的一些基本性质，诸如熔点、磁性、颜色、电学性能、光学性能、力学性能和化学性能等都将与块体材料大为不同。与普通的块体材料相比，纳米材料具有较大的比表面和较多的表面原子，因而显示出较强的吸附特性。对于纳米粒子的吸附作用，目前普遍认为：纳米粒子表面的表面羟基作用。纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。

16、纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。一种良好的吸附剂，必须满足比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道，吸附容量大等条件，而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。 由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力，提供了在环境治理方面应用的可能性。 1.纳米金属的吸附作用纳米金属的表面原子特别是处于边和角上的原子有较高的化学活性，这些原子正是催化剂的活性中心，也是吸附剂的活性位点。由于纳米金属原子簇具有较高的表面能，属于亚稳态，有团聚的倾向

17、。目前主要有以下2种方法改变其稳定性：（1）用多孔的物质如Al2O3、SiO2、碳质材料和多聚物等作为载体，浸入金属盐溶液中，然后将金属离子还原为零价纳米金属原子簇而固定在载体上。（2）纳米金属的表面修饰。用纳米金属作吸附剂的也有报道，Kanel等在N2保护下，用NaBH4还原FeCl3制得了纳米零价铁即纳米铁，他们用纳米铁作为吸附剂对地下水中As（）的吸附行为进行了研究，结果表明，As（）的初始浓度和溶液的pH值对吸附有影响，最大吸附容量为3.5ng As（）/g纳米铁，并发现HCO3-、H4SiO4和H2PO4-的存在对As（）的吸附有干扰。2.纳米氧化物的吸附作用许多纳米氧化物表面展现出

18、既具有Lewis碱又具有Lewis酸的特性，特别是在角和边上。残留的表面羟基和阴/阳离子空穴也能增加纳米氧化物的表面活性。纳米材料用于分离富集起步较晚，Vassileva等在1996年研究了比表面积大的TiO2作为固相萃取吸附剂对金属离子吸附性能。结果表明，TiO2比常用的SiO2作为固相萃取剂具有许多优点，主要是：高吸附容量、多元素同时吸附、能有效地吸附和洗脱及很好的重视性。马万红等人利用流动注射微柱富集在线分析方法对Cr（）离子在纳米TiO2表面上的吸附动力学特征进行了原位表征，研究结果表明，纳米TiO2对Cr（）有强烈的吸附作用，当pH改变时，纳米TiO2吸附的Cr（）可被2mol/LH

19、Cl完全洗脱。Mallikarjuna等2用纳米-Fe2O3和硫脲的复合物作为吸附剂，对Pb2+吸附研究表明，该复合物显示出较强吸附能力。纳米氧化物分离富集技术与其他分析技术联用，也是吸附剂研究的一个重要发展方向3.富勒烯的吸附作用 富勒烯是一种闭合笼型的碳原子团簇。C60富勒烯作为吸附剂最令人感兴趣的是它的选择性。许多金属离子能够和1-吡咯基二硫代甲酸铵(APDC)形成络合物，从而可以用C60富集。而镉被选择性地从共存的Cu、Pb、Zn和Fe等离子中分离出来并用原子吸收光谱检测。C60富勒烯还被用于镉、铅和镍的富集。4.碳纳米管的吸附作用 碳纳米管（CNTs）是国内外广泛关注的一类碳材料，近

20、年来逐渐成为水处理材料领域的一个研究热点。碳纳米管是日本科学家Iijima于1991年发现的一种晶型碳素材料，区别于传统晶型碳素材料石墨和金刚石的二维结构和三维结构，碳纳米管呈一维管状结构，由一层或多层石墨片沿轴向卷曲成圆柱状，两端由半球形的端帽封闭，石墨层片内的碳原子以C-C键相连，由一层石墨片层卷曲而成的称为单壁碳纳米管，由多层石墨片层卷曲而成的则称为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管层间以范德华力结合。碳纳米管因具有独特的电磁学、力学、光学和热性能学而被用于储氢材料、复合材料增强剂、催化剂载体、超导材料等领域。由于碳纳米管独特的纳米管状微观结构及其大比表面积、丰富孔隙结构、独特导电性能等特性，在水处理