第二章纳米材料的理化特性课件

《第二章纳米材料的理化特性课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第二章纳米材料的理化特性课件（57页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章,纳米材料的理化特性,主要内容,纳米微粒结构与形貌 热学性能 磁学性能 光学性能 纳米微粒分散物系的动力学性质 表面活性及敏感特性 吸附特性 分散与团聚,第一节 纳米微粒的结构与形貌,纳米微粒一般为球形。如 -Cr小微粒为球形。 尺寸较大的微粒为立方体或正方体。 微粒表面有原子台阶。 纳米微粒的形状与制备方法有关。 纳米微粒高的表面能和比表面积造成晶格畸变，原子间距减小。,ZnS,第二节 纳米微粒的性能,熔点降低 表面能高 表面原子数多 表面原子近邻配位不全 活性大 例如，大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒熔点降低 288K；纳米Ag微粒在低于373K开始熔化，常规Ag的熔

2、点远高于1273K。,热学性能 比常规粉体低得多热学参数 熔点 开始烧结温度 晶化温度,金纳米微粒的粒径与熔点的关系,Kronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，结果如图所示。由图看出，当粒径小于10nm时，熔点急剧下降。,1.热学性能,烧结温度降低 烧结温度： 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，叫做烧结温度。 纳米微粒界面具有高能量，在烧结中成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，导致烧结温度降低。 如：达到类似的硬度，纳米TiO2可在比大晶粒样品低873K的温度下烧结。,TiO2的韦氏硬度随烧结温度

3、的变化。 代表初始平均晶粒尺寸为12nm的微粒。 代表初始平均晶粒尺寸为1.3m的微粒。,常规Al2O3烧结温度在20732173K，在一定条件下纳米Al2O3可在1423K至1773K烧结，致密度可达99.7。常规Si3N4烧结温度高于2273K。 不同粒径的纳米Al2O3微粒的粒径随退火温度的变化。 图中 d0=8nm； d0=15nm； d0=35nm.,2.磁学性能,铁磁性、顺磁性和抗磁性 铁磁性：有些金属材料在外磁场作用下产生很强的磁化强度，外磁场除去后仍保持相当大的永久磁性，这种磁性称为铁磁性。 过渡金属铁、钴、镍和某些稀土金属如钇等都具有铁磁性。,抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁化强度

4、与外磁场强度的关系。,b. 顺磁性：有些固体的原子具有本征磁矩。这种材料在无外磁场作用时，材料中的原子磁矩无序排列，因此材料表现不出宏观磁性。而受外磁场作用时，原子磁矩能通过旋转沿外场方向择优取向，因而表现出宏观的磁性，这种磁性称为顺磁性。 在顺磁材料中，原子磁矩沿外磁场方向排列，磁场强度获得增强，磁化强度为正值，磁化率为正值。但磁化率很小。,抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁化强度与外磁场强度的关系。,c. 抗磁性：是由于外磁场使电子的轨道运动发生变化而引起的，所感应的磁矩很小，方向与外磁场相反，即磁化强度为很小的负值，是一种很弱的、非永久性的磁性，只有在外磁场存在时才能维持。所有的材料都有抗磁性。

5、 抗磁体和顺磁体对于磁性材料应用来说都视为是无磁性的，因为它们只有在外磁场存在下才被磁化，且磁化率极小。,抗磁体、顺磁性和铁磁体的磁化强度与外磁场强度的关系。,居里温度：对于铁磁体来说，不管有无外磁场存在，温度升高，导致饱和磁化强度减小。达到某一温度时，饱和磁化强度减小到零。这一温度称为居里温度TC。 矫顽力：被磁化的材料在外磁场消失后仍保持一定程度的磁化，要消除其磁性，需外加一反向磁场强度Hc，Hc就叫做矫顽力。,（1）超顺磁性 铁磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态。例如， -Fe，Fe3O4和-Fe2O3粒径分别为5，16和20nm时就变成顺磁体。 原因：热运动导致磁化方向的改

6、变。 小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。,镍微颗粒的矫顽力Hc与颗粒直径d的关系,（2）矫顽力 纳米微粒在高于临界尺寸时具有高的矫顽力。 一致转动模式 微粒小到一定程度，每个微粒就是一个单磁畴。要去掉磁性，须将每个粒子整体的磁矩翻转，因而需要很大的反向磁场。,铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径与温度的关系。,（3）居里温度降低：纳米微粒由于小尺寸效应和表面效应，具有较低的居里温度。 纳米微粒内原子间距随粒径减小而减小，根据铁磁理论，导致TC随粒径的

7、减小而下降。,高磁场9.5105A/m下比饱和磁化强度s与温度T的关系。 为85nm； 为9nm。,（4）磁化率： 纳米微粒的比饱和磁化强度随粒径的减小而减小。,室温比饱和磁化强度s与平均颗粒直径d 的关系,3.光学性能,（1）宽频带强吸收 大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都是黑色，它们对可见光的反射率极低。 铂纳米粒子的反射率为1%，金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。,纳米粒子红外吸收带的宽化 纳米氮化硅、SiC及Al2O3粉对红外有一个宽频带强吸收谱。 纳

8、米粒子大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多，与常规大块材料不同，没有一个单一的，择优的键健振动模，而存在一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一个较宽的分布，这就导致了纳米粒子红外吸收带的宽化。,（2）蓝移现象 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。,CdS溶胶微粒在不同尺寸下的吸收谱,6nm,2.5nm,1nm,蓝移现象解释 量子尺寸效应： 由于颗粒尺寸下降，能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。 表面效应： 由于纳米微粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小，键长的缩短使纳米颗粒键本征振动频率增大，使光

9、吸收带移向高波数。,红移现象 某些情况下纳米微粒光吸收带会出现红移现象。 光吸收带位置的移动由影响峰位的蓝移因素和红移因素共同作用的结果。 随着粒径的减小，量子尺寸效应导致蓝移，但随着粒径的减小，颗粒内部的内应力会增加，导致能带结构变化，电子波函数重叠，能带能隙间距变窄，出现红移。,（3）量子限域效应 当纳米微粒的尺寸小到一定值时，电子的平均自由程受限，容易和空穴结合形成激子，产生激子吸收带并蓝移，即量子限域效应。,CdSexS1-x玻璃的吸收光谱,10nm,5nm,（3）纳米微粒的发光 当纳米微粒的尺寸小到一定值时，量子限域效应导致纳米微粒在一定波长的光激发下发光。 图为室温下，紫外光激发引

10、起的纳米硅的发光谱。 随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向。当粒径大于6nm时，这种发光现象消失。,不同粒度Si在室温下的发光,（3）纳米微粒的发光 掺Cd SexS1-x玻璃在530nm波长光的激发下发射荧光。 半导体带隙窄，容易跃迁而发光。而块体通常是直接跃迁禁阻的。如块体TiO2，只能间接跃迁。 粒径小于5nm的颗粒出现激子发射峰。,CdSexS1-x玻璃的荧光光谱。激发波长位530nm。,（4）丁达尔效应（Tyndal） 丁达尔效应与分散粒子的大小及投射光线波长有关。当分散粒子的直径大于投射光波波长时，光投射到粒子上就被反射。如果粒子直径小于人射光波的波长，光波可以绕过粒子而向各方

11、向传播，发生散射，散射出来的光，即所谓乳光。由于纳米微粒直径比可见光的波长要小得多，所以纳米微粒分散系应以散射的作用为主。,丁达尔现象,根据雷利公式，散射光强度为,式中：为波长；C为单位体积中的粒子数；V为单个粒子的体积；n1和n2分别为分散相（这里为纳米粒子）和分散介质的折射率；I0为入射光的强度。,粒子体积大，散射光强； 波长短，散射光强； 分散相和分散介质折射率相差越大，散射光越强； 粒子数越多，散射越强。,4. 纳米微粒分散物系的动力学性质,（l）布朗运动 胶体粒子（纳米粒子）形成溶胶时会产生无规则的布朗运动。布朗运动是体系中分子固有热运动的体现，其速度取决于粒子的大小、温度及分散介质

12、的粘度等因素。,X为粒子的平均位移，Z为观察的时间间隔，为介质的粘滞系数，r为粒子半径，N0为阿伏加德罗常数。 布朗运动会稳定胶体溶液，也可能因粒子碰撞而团聚。,（2）扩散 由于胶体粒子有布朗运动，在有浓差的情况下，会发生从高浓度向低浓度处的扩散。胶体微粒比普通分子大得多，因此扩散速度慢得多。其扩散依然遵守菲克定律。,式中，dm/dt为流量，即单位时间通过某截面的量，D为扩散系数，A为面积，dc/cx为浓度梯度。扩散系数D与粒子半径r，介质黏度，和温度T的关系由爱因斯坦(Einstein)公式表示,扩散系数D与粒子半径r，介质黏度，和温度T的关系由爱因斯坦(Einstein)公式表示,式中，R

13、为气体常数，L为阿佛加德罗常数。可见，纳米微粒（分散相）的粒径越大，扩散系数越小。得到纳米粒子的扩散系数，可由下式求得它的平均摩尔质量。,（3）沉降和沉降平衡 如果胶体粒子的密度比分散介质的大，那么在重力场作用下粒子就有下沉的趋势，造成浓度差。而与此相对抗的作用是扩散。当两种作用相等时，就达到了平衡。此时的状态称为“沉降平衡”。如果粒子体积大小均一，其浓度随高度的分布规律符合下列关系：,式中，n1和n2分别是高度h1和h2处粒子的浓度（数密度），和0分别是分散相和分散介质的密度，V是单个粒子的体积，g是重力加速度。,高的表面活性 随纳米微粒粒径减小，比表面增大，表面原子数增多及表面原子配位不饱

14、和性导致大量的悬键和不饱和键等，这就使得纳米微粒具有高的表面活性。 用金属纳米微粒作催化剂时要求它们具有高的表面活性，同时还要求提高反应的选择性。金属纳米微粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选择性呈特异行为。,5. 表面活性及敏感特性,用硅作载体的镍纳米微粒作催化剂时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好，使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙酸氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副反应受到抑制。 传感器方面的应用 由于纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性，及与气体相互作用强等原因，纳米微粒对周围环境十分敏感，如光、温、气氛、湿度等，因此可用作各种传感器，如温度

15、、气体、光、湿度等传感器。,6. 光催化性能,光催化 纳米材料在光照情况下，通过把光能转变成化学能，促进有机物的合成或降解的过程称为光催化。 纳米半导体粒子可光催化分解海水提取氢气； 纳米TiO2表面进行N2和CO2固化成功；,光催化原理 半导体氧化物纳米粒子在大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性。空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH-反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难以降解的有机物氧化成CO2和水。 酯氧化成醇，醇 醛 酸 CO2水,光催化活性取决于导带与价带的氧化还原电位，价带的氧化还原电位越正，导带的

16、氧化还原电位越负，则光生电子和空穴的氧化及还原能力越强。 目前多用宽禁带的n型半导体氧化物，如TiO2、ZnO、CdS、WO3、Fe2O3、PbS、SnO2、In2O3、ZnS、SrTiO3、SiO2等。 TiO2稳定耐腐蚀，低价无毒，最有潜力。,减小颗粒尺寸，可提高催化效率 粒径小于10nm，量子尺寸效应变得显著，能隙变宽，价带电位变得更正，导带电位变得更负，增加了光生电子和空穴的氧化还原能力。 小粒径有利于光生载流子从粒子内部扩散到表面，与表面的给体或受体发生氧化还原反应。如：粒径1000nm的TiO2中电子从内部扩散到表面需要100ns，而10nm微粒仅需要10ps。电子的俘获需要30ns，空穴的俘获需要250ps，粒径越小，电子和空穴复合概率就越小。导致光催化活性提高。 小粒径微粒的比表面积高，增加了吸附有机污染物的能力，从而提高了光催化能力。强吸附效应允许光生载流子首先与吸附物作用，而不管溶液中其他物质的氧化还原电位顺序。,提高光谱响应范围 TiO2是宽带隙半导体，只能吸收紫外光，太阳光能利用率低。 掺杂光敏剂可以可以提高光谱响应范围，但有机光敏剂会同时被降