納米材料的應(yīng)用前景

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1、JIANGSUUNIVERSITY納米材料的應(yīng)用前景學(xué)院名稱：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)班級：復(fù)合材料與工程0901姓名、學(xué)號：陳凌佚3090706013指導(dǎo)教師：唐華時(shí)間：2012年6月6日納米材料的應(yīng)用前景摘要：納米材料由于其獨(dú)特的效應(yīng)，使得納米材料具有不同于常規(guī)材料的特殊用途。本文就納米材料的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用進(jìn)行了綜述。關(guān)鍵詞：納米材料；應(yīng)用納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9m)的超細(xì)材料O它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為1~102nmO它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子，二是粒子間的界面O前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是

2、既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了納米材料具有一系列的特異效應(yīng)(如：小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等)，因而出現(xiàn)常規(guī)材料所沒有的一些特別性能，從而使納米材料己獲得和正在獲得廣泛的應(yīng)用。一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自70年代納米顆粒材料問世以來,80年代中期在實(shí)驗(yàn)室合成了納米塊體材料,至今已有30多年的歷史,但真正成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)是在80年代中期以后。因此,從其研究的內(nèi)涵和特點(diǎn)來看大致可劃分為三個(gè)階段。第一階段(1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索,用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體,合成塊體(包括

3、薄膜),研究評估表征的方法,探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。1984年,格雷特采用氣體冷凝方法,制備成功鐵納米微粉。隨后,美國、德國和日本科學(xué)家先后制成多種納米材料粉末及燒結(jié)塊體材料,開始了納米材料及技術(shù)的研究時(shí)代。對納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代。末期一度形成熱潮。研究的對象一般局限在單一材料和單相材料,國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能,設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料,通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合,納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索,一度成

4、為納米材料研究的主導(dǎo)方向。1993年《自然》的副主編曾預(yù)言“以單電子隧道效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的單電子晶體管可能誕生在下一世紀(jì)的初葉”,他的預(yù)見發(fā)表不到2年,日本率先在實(shí)驗(yàn)室研制成功納米結(jié)構(gòu)的三級管,緊接著美國的普度大學(xué)也在實(shí)驗(yàn)室研制成功納米結(jié)構(gòu)的晶體管。1995年超低功耗和高集成的納米結(jié)構(gòu)單電子三級管在美國研制成功,使人們對于納米結(jié)構(gòu)的研究對誕生下一代量子器件的重要性有了進(jìn)一步認(rèn)識。第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝體系。人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注,已成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。高韌性納米陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題;納米結(jié)

5、構(gòu)設(shè)計(jì),異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元(零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲)的組合、納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn)。國際上,把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。納米顆粒、絲、管可以是有序或無序地排列。如果說第一、二階段的研究在某種程度上帶有一定的隨機(jī)性,那么這一階段研究的特點(diǎn)更強(qiáng)調(diào)人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造。二、納米材料在催化方面的應(yīng)用納米微粒作催化劑是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。納米顆粒具有很高的比表面積,表

6、面原子配位不全表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同等特點(diǎn),導(dǎo)致表面的活性位置增加,使納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。有關(guān)納米粒子表面形態(tài)的研究指出,隨著納米粒子的粒徑的減小,微粒表面的光滑程度變差,凹凸不平的原子臺階逐步形成,能夠大大增加反應(yīng)物料在其表面的接觸機(jī)會。利用上述特性,可將納米粒子進(jìn)一步加工成具有化學(xué)催化、光催化和熱催化性能的納米催化劑。納米微粒作催化劑可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率及反應(yīng)速度、決定反應(yīng)路徑、有優(yōu)良的選擇性和降低反應(yīng)溫度。起化學(xué)催化作用的納米粒子催化劑主要有3種類型。一是直接用金屬納米粒子作催化劑。該類催化劑以貴金屬(Ag,Pd,Pt,Rh等)的

7、納米粉末為主,Fe,Co,Ni等金屬納米粉末也得到了一定應(yīng)用。一些金屬納米粒子作為催化劑時(shí),除了提高反應(yīng)速率外,還具有良好的選擇性,并且這種選擇性與納米粒子的顆粒度有關(guān)。二是將金屬納米粒子負(fù)載到多孔性載體上作催化劑?？梢詫⒍喾N金屬納米粒子同時(shí)負(fù)載或制成復(fù)合金屬納米粒子后負(fù)載到同一載體上,能夠進(jìn)一步增加催化劑的選擇性。目前,此類催化劑是應(yīng)用最多的納米粒子催化劑。三是用有關(guān)化合物的納米粒子作為催化劑,如將MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物納米粒子加入到煤、油等燃料后,對煤、油等燃料的燃燒有很好的催化助燃作用,同時(shí)不會增加尾氣中