稀土纳米材料课件

稀土纳米材料

—建筑装饰材料1定义稀土元素本身具有丰富的电子结构，表现出许多光、电、磁的特性。稀土纳米化后，表现出许多特性，如小尺寸效应、高比表面效应、量子效应、极强的光、电、磁性质、超导性、高化学活性等，能大大提高材料的性能和功能，开发出许多新材料。纳米材料是指晶粒尺寸小于100ｎｍ的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度和硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻、低热导率等。纳米技术是用单个的原子、分子制造物质的科学技术,以及在单个原子、分子层次上对物质存在的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别与控制的研究和应用。目前纳米技术与稀土相结合形成的新型材料主要有稀土纳米陶瓷、催化剂、永磁材料、发光材料、环保材料、生物医药材料等。这些新型材料在信息、生命科学等领域必将发挥重要的作用。2稀土纳米材料的应用

稀土在环境材料方面的一项重要用途是作为汽车尾气净化催化剂。它具有良好的催化活性、热稳定性、抗毒性、使用寿命和价格优势。北京有色金属研究总院研制的稀土尾气净化催化剂主要采用氧化铈，中国科学院大连化学物理研究所用铂/氧化锆·氧化铈作为催化剂。可使汽车尾气中的CO（一氧化碳）、HC（碳氢化物）、NOX（氮氧化物）的净化率达到60%-70%乃至更高。

催化剂采用了稀土和其它氧化物等多成分的协同效应，目前已开始应用于多种涂料、陶瓷、搪瓷和水泥制品等建筑材料方面，能产生良好的抗菌和净化效果。22稀土纳米催化剂在许多化学反应中,使用稀土催化剂,若使用稀土纳米催化剂,催化活性、催化效率将大幅提高。因为,纳米微粒尺寸小,表面所占的体积百分数大,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,通过对纳米微粒表面形态的研究表明,随着粒径减小,表面光滑程度变差,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,产生高扩散通道,大大增加催化反应活性点。这就意味着稀土纳米粒子催化剂具有良好的催化效果。稀土纳米催化剂一般用在石油催化裂化和汽车尾气的净化处理方面。

23稀土纳米永磁材料在稀土金属的晶体中,由于4ｆ层电子受到外层5ｓ和5ｐ电子层屏蔽的关系,晶体场对4ｆ电子轨道磁矩作用甚弱,甚至不起作用。所以稀土金属的原子磁矩包含有4ｆ层电子轨道磁矩和自旋磁矩两部分的贡献,而铁元素仅有3ｄ层电子自旋磁矩作贡献。在稀土化合物中3ｄ和4ｆ金属原子磁矩都对化合物的磁矩有贡献,因此其磁性能更为优良。稀土永磁材料是将钐、钕混合稀土金属与过渡金属(如铁、钴等)组成的合金,用粉末冶金方法压型烧结,经磁场充磁后制得的一种磁性材料。

稀土纳米永磁材料的制备方式主要有机械合金化和急冷凝固制成非晶合金,再经热处理析出纳米结晶两种方式。机械合金化法是在高能球磨机内使粉末反复地历焊接、断裂而制备的。德国西门子公司采用机械合金法及随后进行固态反应的方法研制出稀土纳米永磁材料,如Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ和Ｓｍ-Ｆｅ-Ｎ磁体。制备Ｎｄ-Ｆｅ-Ｂ粉时,先用机械合金化法制得球磨粉Ｎｄ2Ｆｅ14Ｂ(晶粒50ｎｍ),经过退火就可得到各向同性纳米磁粉。这种磁粉加入树脂,可得粘结型ＭＭ1永磁材料,其矫顽力为15.8ｋＡｃｍ。各向同性磁粉用轴热压成型法制得各向同性ＭＭ2压制磁体,进行热压可制得致密的磁体(ＭＭ2),其矫顽力为16.1ｋＡｃｍ。各向同性磁粉采用模压镦锻,经热变形织构化,可制得各向异性磁体ＭＭ3,其矫顽力为10.7ｋＡｃｍ。

25稀土纳米贮氢材料为了解决能源、环境、资源等问题,贮氢材料的开发已成为当前材料的研空热点,碳纳米管、纤维类成本高;高比表面活性炭的贮氢温度又太低,应用范围受限;用有机液体贮氢脱氢困难;而用稀土纳米合金材料贮氢成本较低,可大规模生产。贮氢合金是由可吸氢的金属Ａ(Ｍｇ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ和稀土元素Ｎｂ、Ｌａ等)和不吸氢的金属Ｂ(Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ)组成,合金的性能与Ａ和Ｂ的组合关系有关,主要用于制作镍氢电池负极,它以易活化、平台平坦、滞后小、抗中毒性好等优点而被认为是最理想的材料,为了降低成本,多用混合稀土金属或富镧混合稀土取代金属镧,材料成本可大幅降低。

太阳光长期暴晒,对人体就会带来危害,发生急性皮炎,促进皮肤老化,甚至患皮癌。日光中对皮肤造成损伤的光线是中波紫外ＵＶＢ(280～320ｎｍ)和长波紫外ＵＶＡ(320～400ｎｍ)。它们对皮肤的损害具有累积性且不可逆,会导致皮癌,特别是高纬度、高海拔地区。具有良好光催化能力的ＣｅＯ2,其禁带宽度能量为3.1ｅｖ,可覆盖300～450ｎｍ范围内紫外线吸收带,能够吸收长波长的紫外区域。并随着粒径减小,吸收带红移,对紫外光具有良好的吸收性能,可以用于制备紫外吸收材料。国外已将ＣｅＯ2用于防晒霜和高级化妆品的添加剂。研究表明,纳米ＣｅＯ2对紫外光吸收性能优于常用的ＴｉＯ2,是更好的紫外吸收剂。用纳米ＣｅＯ2作为紫外吸收剂,可望用于防止塑料制品紫外照射老化及坦克、汽车、舰船、储油罐等的紫外老化。

纳米涂层材料是近年来纳米材料研究的热点,主要的研究聚集在功能涂层上。美国采用80ｎｍ的Ｙ2Ｏ3作为红外屏蔽涂层,反射热的效率很高。

中国首创欧臣纳米稀土空调利用纳米材料独特的理化性能,将合成稀土纳米材料安装于空调进风口处。该材料由多种稀土金属、稀有金属、多种氧化物经过高科技方法合成而得,其中纳米材料和多种稀土金属、稀有金属联合作用,构成了带有特殊化学配位结构的微孔活性中心。在空调运行时对吸入的室内空气进行化学过滤、分解甲醛、苯类有毒有机化合物,处理空气中的病毒、病菌,起到真正意义上的净化空气作用。3我国目前现状与未来发展：

我国是稀土资源大国,资源丰富，稀土纳米材料的开发应用,开辟了稀土资源有效利用的新途径,扩展了稀土的应用范围,促进了新功能材料的发展。稀土纳米材料的研究必将引起材料工业的发展与变革,促进材料学理论上的发展并建立新理论体系,以适应纳米尺度的研究需要,使稀土纳米材料具有更佳的性能,使新的性能、功能的出现成为可能。

稀土纳米材料是今后研究的新方向。由于材料制成纳米颗粒后会使材料性能产生突变，或者产生其它更为优异的性能，各国都在加紧研究。我国是世界上稀土资源最丰富的