纳米材料的应用前景.doc

JIANGSUUNIVERSITY

纳米材料的应用前景

学院名称：材料科学与工程学院
专业班级：复合材料与工程0901
姓名、学号：陈凌佚3090706013
指导教师：唐华
时间：2012年6月6日

纳米材料的应用前景
摘要：纳米材料由于其独特的效应，使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的研究现状和应用进行了综述。
关键词：纳米材料；应用
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料O它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为1~102nmO它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面O前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应(如：小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等)，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。
一、国内外研究现状
自70年代纳米颗粒材料问世以来,80年代中期在实验室合成了纳米块体材料,至今已有30多年的历史,但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在80年代中期以后。因此,从其研究的内涵和特点来看大致可划分为三个阶段。
第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索,用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体,合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。1984年,格雷特采用气体冷凝方法,制备成功铁纳米微粉。随后,美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在80年代。末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。
第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索,一度成为纳米材料研究的主导方向。1993年《自然》的副主编曾预言“以单电子隧道效应为基础设计的单电子晶体管可能诞生在下一世纪的初叶”,他的预见发表不到2年,日本率先在实验室研制成功纳米结构的三级管,紧接着美国的普度大学也在实验室研制成功纳米结构的晶体管。1995年超低功耗和高集成的纳米结构单电子三级管在美国研制成功,使人们对于纳米结构的研究对诞生下一代量子器件的重要性有了进一步认识。
第三阶段(从1994年到现在)纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,已成为纳米材料研究的新的热点。高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题;纳米结构设计,异质、异相和不同性质的纳米基元(零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝)的组合、纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点。国际上,把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。如果说第一、二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性,那么这一阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造。
二、纳米材料在催化方面的应用
纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出,随着纳米粒子的粒径的减小,微粒表面的光滑程度变差,凹凸不平的原子台阶逐步形成,能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性,可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度。起化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属(Ag,Pd,Pt,Rh等)的纳米粉末为主,Fe,Co,Ni等金属纳米粉末也得到了一定应用。一些金属纳米粒子作为催化剂时,除了提高反应速率外,还具有良好的选择性,并且这种选择性与纳米粒子的颗粒度有关。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上,能够进一步增加催化剂的选择性。目前,此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作为催化剂,如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃