纳米材料在化工行业中的应用及发展前景

开封大学学生毕业论文论文题目：纳米材料在化工行业中的应用及发展前景班级：09级应用化工技术三班姓名：郑文静学号：2009051263指导教师：陈永起止时间：2012年3月1日－2012年5月30日2012年5月30号1目录摘要……………………………………………………………………………2Abstract…………………………………………………………………………2一、纳米材料的基本特征………………………………………………………3（一）纳米材料的概述…………………………………………………………3（二）纳米材料的分类及结构…………………………………………………3（三）纳米材料的基本效应……………………………………………………4（四）纳米材料的结构…………………………………………………………5（五）纳米材料的特殊性能……………………………………………………6二、纳米材料的制备方法………………………………………………………8（一）物理法……………………………………………………………………8（二）化学法……………………………………………………………………9三、纳米材料的应用………………………………………………………………9（一）纳米材料在生物和医学中的应用………………………………………9（二）纳米材料在化工产业中的应用…………………………………………10（三）纳米结构材料在锂离子电池中的应用…………………………………12四、纳米材料的展望………………………………………………………………13参考文献‥………………………………………………………………………142论文摘要纳米科学技术是21世纪科学发展的主流之一，是渗透于现代科学各个领域的大跨度科学，具有十分广阔的发展前景，它的迅猛发展将对几乎所有的工业领域产生根本性的变革。纳米材料是纳米科技中最活跃和最具应用潜力的主要研究方向，纳米科技的基础研究特别是纳米材料的基础研究，对促进新材料的合成和赋予传统材料新的优异性能方面，发挥着重要的作用关键词：纳米材料；纳米技术；应用；发展前景Abstract:Thenanometerscienceandtechnologyisthemainstreamofscientificdevelopmentinthe21stcentury,oneofmodernscienceispenetrationinallareasofthebigspanscience,hastheverygoodprospect,therapiddevelopmentofitwillbetoalmostalloftheindustrialfieldsproducefundamentalchange.Nanometermaterialisthemostactivenanotechnologyandthemostpotentialapplicationsofmainresearchdirection,nanotechnologyresearchbasedespeciallythebasicresearchofthenanometermaterial,topromotenewmaterialsonsynthesisandtraditionalmaterialstoexcellentperformanceinnew,playedanimportantrole.Keywords:nanometermaterials;Nanometertechnology;Application;Developmentprospect3纳米材料在化工行业中的应用及发展前景郑文静（开封大学化学工程学院09级应用化工技术专业3班）一纳米材料的基本特征（一）纳米材料的概述纳米是一个长度单位，1nm＝10-9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1—100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生显著的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。纳米尺度大于原子和分子，而小于通常的块体材料，是处于微观体系与宏观体系之间的中间领域，属于介观范畴[1]。纳米材料与纳米技术密切相关，纳米材料是纳米技术的基础，纳米材料的研究和研制中又包含了很多纳米技术。（二）纳米材料的分类及结构1分类方法按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料(如纳米线、棒、丝、管和纤维等)、二维纳米材料(如纳米膜、纳米盘和超晶格等)、纳米结构材料即纳米空间结构材料(如介孔材料)。[2]按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料(也称纳米块体材料)、纳米膜材料以及纳米液体材料(如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等)。按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。[3]2纳米结构纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。目前对纳米阵列体系的研究集中在4由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二维体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与基体的界面耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的研究主要是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。（三）纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应当材料的结构进入纳米尺度调制范围时，会表现出小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。1表面效应(界面效应)球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著增加。对直径大于0.1μm的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1μm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达l00m2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2×10-3μm)进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体多粒晶等)，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才观察不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。[4]超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化且燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄且致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂、储气材料或低熔点材料。2小尺寸效应(体积效应)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比它们更小时，周期性的边界条件被破坏，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的变化。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。5如纳米粒子的熔点可远低于块状固体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通材料高4—5倍，如纳米TiO2的显微硬度为12.75kPa，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于1.96kPa。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变等性能。[5]3量子尺寸效应纳米材料的量子尺寸效应是指当粒子尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，并使能隙变宽的现象。当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应。由此导致的纳米微粒在催化、电磁、光学、热学和超导等微观特性和宏观性质表现出与宏观块体材料显著不同的特点。[6]例如，纳米银与普通银的性质完全不同，普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时却是绝缘体。同样，纳米材料的这一性质也可用于解释为什么SiO2从绝缘体变为导体。4宏观量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在微米级。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。（四）纳米材料的结构在纳米材料的结构中，存在着两种结构组元，即晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置；界面组元由处于各晶粒之间6的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位置，长程有序；界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。[7]界面原子密度低，界面上邻近原子配位数发生变化，界面原子间距差别大。纳米材料两种结构组元的存在，特别是界面组元的存在，使其特性既不同于原子，又不同于结晶体，其物理化学性质与块体材料相比有明显差异。可以说它是一种不同于本体材料的新材料。构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：原子团簇、纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆。其中：原子团簇是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm），如Fen，CunSm，CnHm（n和m为正数）和碳簇（C60,C70等）等。原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子簇(cluster),小于通常的微粉。在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1～100nm之间。当粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的使用前景。人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于100nm，有时称其为量子点，是20世纪90年代提出来的新概念。人们曾将半导体的量子点也称为人造原子。当体系的尺度与物理特征量相近时，量子效应十分显著。因此当大规模集成电路微细化到100nm左右时，以传统观念和原理为基础的大规模集成电路的工作原理将受到严峻挑战，电子在人造原子中的运动规律将出现经典物理难于解释的新现象。（五）纳米材料的特殊性能当材料的结构具有纳米尺度调制特征时，将呈现许多特异的性能。1.力学性能高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反