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1、纳米材料的制备和合成第一页，本课件共有81页第一节第一节 纳米材料纳米材料基本概念和内涵基本概念和内涵纳米材料的结构与形貌纳米材料的结构与形貌纳米材料的表征纳米材料的表征纳米材料的特征纳米材料的特征纳米材料的制备纳米材料的制备主要内容主要内容第六章第六章 纳米材料的合成纳米材料的合成第二页，本课件共有81页什么是纳米什么是纳米(nanometer)？什么是纳米结构什么是纳米结构(nanostructure)？什么是纳米材料什么是纳米材料(nanomaterial)?什么是纳米技术什么是纳米技术(nanotechnology)？什么是纳米科学什么是纳米科学(nanoscience)？什么是纳米科
2、学技术什么是纳米科学技术(Nano-ST)？基本概念和内涵基本概念和内涵第三页，本课件共有81页人高人高2020亿亿 纳纳米米100100万万 纳纳米米 针头针头红血球红血球分子及分子及DNA1 1千千 纳纳米米1 1 纳纳米米0.10.1 纳纳米米氢原子氢原子Earth 1.2 x 107 mIn Greek,“nano”means dwarf纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1纳米纳米=10-9 米。米。什么是纳米什么是纳米(nanometer)？第四页，本课件共有81页Earth 1.2 x 107 m什么是纳米什么是纳米(nanometer)？（2）纳米是社会实践体系纳米
3、是社会实践体系 a.掀起广泛深入的社会实践活动掀起广泛深入的社会实践活动 b.各国政府纷纷纳入战略规划各国政府纷纷纳入战略规划 c.纳米技术的产业化实践纳米技术的产业化实践社会意义社会意义：（1）纳米是新的物质观，新的方法论；纳米是新的物质观，新的方法论；第五页，本课件共有81页什么是纳米结构什么是纳米结构(nanostructure)？纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。In this design,two rigid diamo
4、ndoid rings are fused at a quasi-tetrahedral junction and sized,through the addition or subtraction of repeat subunits in each ring,to accommodate two carbon nanotubes of different diameters.The crimping of the nanotubes is a result of van der Waals packing of the rings,a feature that can be enhance
5、d or removed by adjusting the ring size.(grey=carbon,white=hydrogen,blue=nitrogen,red=oxygen)In this design,two diamondoid rings replace small segments of a carbon nanotube,providing a lock for a third,larger ring.The larger ring includes a stitch-work of oxygens to create an electron-rich interior
6、whose effective circular van der Waals packing just touches that of the nanotube framework.Low-friction bearing assembly with two carbon allotropes Crimp junctions for perpendicular carbon nanotube scaffolding 第六页，本课件共有81页什么是纳米材料什么是纳米材料(nanomaterial)?纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围
7、围(10-910-7m)或由它们作为基本单元构成的材料或由它们作为基本单元构成的材料 第七页，本课件共有81页什么是纳米科学什么是纳米科学(nanoscience)？在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。第八页，本课件共有81页什么是纳米技术什么是纳米技术(nanotechnology)？在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。纳米技术是一门高新技术，它对纳米技术
8、是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器世纪材料科学和微型器 件技件技术的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，术的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，从小到大从小到大，从从下到上下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。题。第九页，本课件共有81页 纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技纳米技术术，是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的，是指用数千个分子
9、或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中科学技术。纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。牛津大学材料的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有系目前研究的纳米技术项目有4040多个，其中主要的有超细薄多个，其中主要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。-英国牛津大学材料系纳米材料专家保尔英国牛津大学材料系纳米材料专家保尔华伦博士接受科技日报记者采访时说华伦博士接受科技日报记者采访时说 什么是纳米技术什么是纳米技
10、术(nanotechnology)？第十页，本课件共有81页什么是纳米科技什么是纳米科技(Nano-ST)？创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料设计、制备各种纳米器件和装置设计、制备各种纳米器件和装置探测分析纳米材料探测分析纳米材料,器件的结构器件的结构,性质及其相互关系性质及其相互关系和机理和机理制造和研究纳米尺度（制造和研究纳米尺度（制造和研究纳米尺度（制造和研究纳米尺度（1010-9-9 1010-7-7mm）的器件和材料的科学技术。）的器件和材料的科学技术。）的器件和材料的科学技术。）的器件和材料的科学技术。第十一页，本课件共有81页纳米科技
11、概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器而这较小的机器可以制作更小的机器,这样这样一步步达到分子线度一步步达到分子线度,即逐级地缩小生产装置即逐级地缩小生产装置,以至最后直接按意愿排列原子以至最后直接按意愿排列原子,制造产品制造产品.那时那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。当当20002000年人们回顾历史的时候年人们回顾历史的时候,他们会为直到他们会为直到19591959年才有人想到直接用原子年才有人想到直接用
12、原子,分子分子来制造机器而感到惊讶。来制造机器而感到惊讶。-Richard P.Feynman,1959n n“The principles of physics,as far as I can see,do not The principles of physics,as far as I can see,do not speak against the possibility of maneuvering things atom by speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”atom.”“Put t
13、he atoms down where the chemist says,and so you make “Put the atoms down where the chemist says,and so you make the substance.”the substance.”-Richard Feynman(-Richard Feynman(19591959)Physics Nobel LaureatePhysics Nobel Laureate第十二页，本课件共有81页纳米科技的发展纳米科技的发展 Taniguchi第一届国际纳米科学技术会议第一届国际纳米科学技术会议(Interna
14、tional conference on nano International conference on nano science and technologyscience and technology)1990 1990年年7 7月月 美国巴尔的摩美国巴尔的摩EricDrexler1974年科学家唐尼古奇年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术最早使用纳米技术(Nanotechnology)一一词描述精细机械加工词描述精细机械加工;1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出,可以从模拟活细胞的生可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物物分
15、子的人工类似物-分子装置开始研究分子装置开始研究,并称之为纳米科技并称之为纳米科技.他他70年年代末在斯坦福大学建立代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组第一个纳米科技研究小组。第十三页，本课件共有81页纳米科技将引发一场新的工业革命纳米科技将引发一场新的工业革命第十四页，本课件共有81页重要进展重要进展 (1)安排原子组合成安排原子组合成“IBM”字样、中国地图等；字样、中国地图等；(2)纳米尺度的合成为人们设计新型材料打开了新的大门。纳米尺度的合成为人们设计新型材料打开了新的大门。有机有机-无机杂化材料无机杂化材料 (3)纳米材料与药物、医学领域的交叉是必然的发展趋势。纳米材料与药物、
16、医学领域的交叉是必然的发展趋势。靶向靶向药物，称为药物，称为“生物导弹生物导弹”纳米微机械和机器人纳米微机械和机器人 (4)纳米生物学，使生命科学的研究上了一个新的台阶。纳米生物学，使生命科学的研究上了一个新的台阶。制造多种多样的生物制造多种多样的生物“产品产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化。人类的食品结构也将随之发生变化。（5）纳米材料在催化反应中具有重要作用。）纳米材料在催化反应中具有重要作用。通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和氮气中提取有用物质，例如，液体燃料通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和
17、氮气中提取有用物质，例如，液体燃料一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。第十五页，本课件共有81页国家自然科学基金与纳米科技国家自然科学基金与纳米科技国家自然科学基金资助纳米科技项目和经费逐年增加(根据题目上出现纳米字样的部分基金项目的统计结果)纳米科技是一个多学科交叉的前沿领域，各科学部分别从不同角度予以了资助 第十六页，本课件共有81页纳米科技的科学意义纳米科技的科学意义（1 1）纳米科技将
18、促使人类认知的革命）纳米科技将促使人类认知的革命;（2 2）纳米科技将引发一场新的工业革命）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3 3）纳米科技是一门综合性的交叉学科）纳米科技是一门综合性的交叉学科.师昌绪院士为国家自然科学基金资师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词助纳米科技研究成果展览题词 第十七页，本课件共有81页纳米科技的前景展望纳米科技的前景展望材料和制备微电子和 计算机技术环境和能源医学与健康生物技术航天和航空国家安全FROM:www.nanoforum.org第十八页，本课件共有81页纳米材料的存在形式纳米材料的存在形式第十九页，本课件共有81页纳米材料的分类纳米
19、材料的分类第二十页，本课件共有81页纳米微粒的结构与形貌纳米微粒的结构与形貌Al2O3形貌形貌NATURE Vol.4371 September 2005AgAu第二十一页，本课件共有81页Nanofibres第二十二页，本课件共有81页Nanobelt/nanoribbonZnOSCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001ZnOMaterials Letters 59(2005)16961700第二十三页，本课件共有81页Nano peapodhigh-resolution,low-temperature scanning tunneling microscope(STM)(Sc
20、ience-1 February 2002)第二十四页，本课件共有81页Nano ringsJACS 2005第二十五页，本课件共有81页Nano-flowers中科院物理所先进材料与结构分析实验室李中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系体系Ag/SiOx微米级的内核微米级的内核/壳层结构上成壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。研究内容以研究内容以Report形式于形式于2005年年8
21、月月5日发表日发表在在Science上。文章发表后在国际上引起了强上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。烈的反响。Nanotechweb 和和 ORF ON Science网站当天就分别以网站当天就分别以“应变的微结构形成类应变的微结构形成类植物花样植物花样”和和“微观世界的花朵微观世界的花朵”作了长篇介绍。作了长篇介绍。第二十六页，本课件共有81页纳米粒子的表征纳米粒子的表征TEM(隧道显微镜隧道显微镜)Four basic types of nanotech tools are available:Visualization tools,primarily scanning probe
22、and electron microscopes;Measurement(or metrology)tools,including spectroscopic and optics based;Fabrication/production tools,including nanomanipulators and nanolithographic devices;Simulation/modeling tools,which aid in the design and development of nanotechnology products.第二十七页，本课件共有81页SEM(扫描显微镜扫描
23、显微镜)AFM(原子力显微镜原子力显微镜)STM(扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜)第二十八页，本课件共有81页纳米微粒的四大效应纳米微粒的四大效应（1）表面效应表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺
24、寸效应。（3）小尺寸效应小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们微观粒子具有
25、穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。第二十九页，本课件共有81页（1）表面效应表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。质上的变化。Relationship between the ratio of th
26、e surface atoms to whole atoms and particle size第三十页，本课件共有81页（2）量子尺寸效应量子尺寸效应 当粒子尺寸极小时，费米当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。级的现象。量子尺寸效应可导致纳米颗粒的磁、光、声、电、热以及超导电性与同一物质原有性质有显著差异，即出现反常现象。例如金属都是导体，但纳米金属颗粒在低温时，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性。美国贝尔实验室发现当半导体硒化镉颗粒随尺寸的减小能带间隙加宽，发光颜色由红色向蓝色转移。美国伯克利实验室控制硒化镉纳米颗粒
27、尺寸，所制备的发光二极管可在红、绿和蓝光之间变化。量子尺寸效应使纳米技术在微电子学微电子学微电子学微电子学和光电子学光电子学光电子学光电子学地位显赫。第三十一页，本课件共有81页尺寸及形貌导致颜色不同第三十二页，本课件共有81页（3）小尺寸效应小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都
28、会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。寸效应。随着纳米颗粒尺寸的减小，与体积成比例的能量，如磁各向异性等亦相应降低，当体积能与热能相当或更小时，会发生强磁状态向超顺磁状态转变。当颗粒尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长、超导体的相干长度或透射深度等物理特性尺度相当或更小时，其声、光、电、磁和热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。将导致光的等离子共振频移、介电常数与超导性能发生变化。第三十三页，本课件共有81页（4）宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现
29、一些宏观量，例力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。化，故称为宏观量子隧道效应。电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当
30、微电子器件进一步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。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，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使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。微米。第三十四页，本课件共有81页纳米微粒的一些奇异特性纳米微粒的一些奇异特性纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通
31、的磁性材料提高倍；纳米陶瓷的强度和韧性显著提高纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50以上；纳米材料具有奇特韧性，在经受弯曲不断裂；纳米材料在温度下，塑性提高。第三十五页，本课件共有81页纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。催化活性增强以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。l直径几十纳米的Si3N4纳米线的弯曲强度弯曲强度在103Mpa量级，比块体Si3N4材料高出一个数量级。纳米微粒的一些奇异特性纳米微粒的一
32、些奇异特性第三十六页，本课件共有81页分离器纳米科技的研究方法纳米科技的研究方法自上而下自上而下(Top Down)理查德理查德费曼费曼的技术的技术 通过微加工和固态技术通过微加工和固态技术,不断在尺寸上将不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化人类创造的功能产品微型化.自下而上自下而上(Bottom Up)德瑞克斯勒德瑞克斯勒的技术的技术 以原子分子为基本单元以原子分子为基本单元,根据人们的意根据人们的意愿进行设计和组装愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功从而构筑成具有特定功能的产品能的产品.减少原材料需求减少原材料需求,降低环境污染降低环境污染.原子分子第三十七页，本课件共有81页第二节第
33、二节 纳米粒子合成概述纳米粒子合成概述自然界中的纳米粒子自然界中的纳米粒子尘埃、烟尘埃、烟20世纪初人们已开始用蒸发法制备金属及其氧化物的世纪初人们已开始用蒸发法制备金属及其氧化物的纳米粒子纳米粒子20世纪中期人们探索机械粉碎法使物质粒子细化（极限为世纪中期人们探索机械粉碎法使物质粒子细化（极限为数微米）数微米）近几十年来机械粉碎法可以使微粒小到近几十年来机械粉碎法可以使微粒小到0.5微米左右微米左右多种化学方法（表面活性剂的应用）和物理方法的开发多种化学方法（表面活性剂的应用）和物理方法的开发近十年来各种高技术，如激光技术、等离子体技术等的应用，近十年来各种高技术，如激光技术、等离子体技术等
34、的应用，使得制备粒度均匀、高纯、超细、分散性好的纳米粒子成为可使得制备粒度均匀、高纯、超细、分散性好的纳米粒子成为可能，但问题是如何规模化能，但问题是如何规模化第三十八页，本课件共有81页第三十九页，本课件共有81页物理方法粉碎法物理方法粉碎法几种典型的粉碎技术：几种典型的粉碎技术：球磨、振动球磨、振动磨、球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨流粉碎气流磨 一般的粉碎作用力都一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨是几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎和冲击机和振动磨是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合；碎、剪碎
35、和磨碎的组合；气流磨是冲击、磨碎与剪气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。碎的组合，等等。第四十页，本课件共有81页 物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变化，主要表现在：发生变化，主要表现在：物理方法粉碎法物理方法粉碎法1、粒子结构变化，如表面结构自发的重组，形成非晶态结构、粒子结构变化，如表面结构自发的重组，形成非晶态结构或重结晶。或重结晶。2、粒子表面的物理化学性质变化，如电性、吸附、分、粒子表面的物理化学性质变化，如电性、吸附、分散与团聚等性质。散与团聚等性质。3、受反复应力使局部发生化学反应，导致物料中化学组成发、受反复
36、应力使局部发生化学反应，导致物料中化学组成发生变化。生变化。第四十一页，本课件共有81页构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子物理方法构筑法物理方法构筑法第四十二页，本课件共有81页 化学法主要是化学法主要是“自下而上自下而上”的方法，即是通过适当的化的方法，即是通过适当的化学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排，这种过学反应（化学反应中物质之间的原子必然进行组排，这种过程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固相反应，从程决定物质的存在状态），包括液相、气相和固相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学法包括气相反应法分
37、子、原子出发制备纳米颗粒物质。化学法包括气相反应法和液相反应法。和液相反应法。气相反应法可分为：气相分解法、气相合成法及气气相反应法可分为：气相分解法、气相合成法及气固反应法等固反应法等 液相反应法可分为：沉淀法、溶剂热法、溶胶凝胶法、液相反应法可分为：沉淀法、溶剂热法、溶胶凝胶法、反相胶束法等反相胶束法等化学合成方法化学合成方法第四十三页，本课件共有81页又称单一化合物热分解法。一般是将待分解的化合物或经前期又称单一化合物热分解法。一般是将待分解的化合物或经前期预处理的中间化合物行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳预处理的中间化合物行加热、蒸发、分解，得到目标物质的纳米粒子。一般的反应形式为
38、：米粒子。一般的反应形式为：A（气）（气）B（固）（固）C（气）（气）化学方法气相分解法化学方法气相分解法气相分解法的原料通气相分解法的原料通常是容易挥发、蒸汽常是容易挥发、蒸汽压高、反应性好的有压高、反应性好的有机硅、金属氯化物或机硅、金属氯化物或其它化合物其它化合物Fe(CO)5(g)Fe(s)+5CO(g)SiH4(g)Si(s)+2H2(g)3Si(NH)2 Si3N4(s)+2NH3(g)(CH3)4Si SiC(s)+6H2(g)2Si(OH)4 2SiO2(s)+4H2O(g)第四十四页，本课件共有81页通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温通常是利用两种以上物质之间的
39、气相化学反应，在高温下合成为相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各下合成为相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。一般的反应形式为：类物质的纳米粒子。一般的反应形式为：A A（气）（气）B B（气）（气）C C（固）（固）D D（气）（气）激光诱激光诱导气相导气相反应反应化学方法气相合成法化学方法气相合成法3SiH4(g)+4NH3(g)Si3H4(s)+12H2(g)3SiCl4(g)+4NH3(g)Si3N4(s)+12HCl(g)2SiH4(g)+C2H4(g)2SiC(s)+6H2(g)BCl3(g)+3/2NH3(g)B(s)+3HCl(g)第四十五页，本课件共有
40、81页 沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。存在于溶液中的离子的纳米粒子。存在于溶液中的离子A和和B结合，形成晶结合，形成晶核，由晶核生长和在重力的作用下发生沉降，形成沉淀物。核，由晶核生长和在重力的作用下发生沉降，形成沉淀物。一般而言，当颗粒粒径成为一般而言，当颗粒粒径成为1微米以上时就形成沉淀。沉淀物微米以上时就形成沉淀。沉淀
41、物的粒径取决于核形成与核成长的相对速度。即核形成速度低于核的粒径取决于核形成与核成长的相对速度。即核形成速度低于核成长，那么生成的颗粒数就少，单个颗粒的粒径就变大。成长，那么生成的颗粒数就少，单个颗粒的粒径就变大。液相反应法液相反应法沉淀法沉淀法沉淀法主要分为：沉淀法主要分为：直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、水解沉淀直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、水解沉淀法、化合物沉淀法等法、化合物沉淀法等第四十六页，本课件共有81页例如：1.在Ba，Ti的硝酸盐溶液中加入草酸沉淀剂后，形成了单相化合物BaTiO(C2H4)2.4H2O沉淀。经高温分解，可制得BaTiO3的纳米粒子。2.将Y2O3用盐酸溶
42、解得到YCl3，然后将ZrOCl2.8H2O和YCl3配成一定浓度的混合溶液，在其中加入NH4OH后便有Zr(OH)4和Y(OH)3的沉淀形成，经洗涤、脱水、煅烧可制得ZrO2(Y2O3)的纳米粒子。在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。根据沉淀的类型可分为单相共沉淀淀的方法称为共沉淀法。根据沉淀的类型可分为单相共沉淀和混合共沉淀。和混合共沉淀。关键在于：关键在于：如何使组成材料的多种离子同时如何使组成材料的多种离子同时沉淀？沉淀？高速搅拌高速搅拌 过量沉淀剂过量沉淀剂 调节调节pHpH值值沉淀法沉淀法共沉
43、淀法共沉淀法第四十七页，本课件共有81页液相反应法液相反应法沉淀法沉淀法例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：(NH2)2CO+3H2O 2NH4OH+CO2该反应在内部生成了沉淀剂NH4OH。在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时，即使沉淀剂的含量很低，不在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时，即使沉淀剂的含量很低，不断搅拌，沉淀剂浓度在局部溶液中也会变得很高。均匀沉淀法是断搅拌，沉淀剂浓度在局部溶液中也会变得很高。均匀沉淀法是不外加沉淀剂，而是使沉淀剂在溶液内缓慢地生成，消除了沉淀不外加沉淀剂，而是使沉淀剂在溶液内缓慢地生成，消除了沉淀剂的局部不均匀性。剂的局部不均匀性。第四十八页，
44、本课件共有81页反应的产物一般是氢氧化物或水合物。因为原料是水解反应的对象反应的产物一般是氢氧化物或水合物。因为原料是水解反应的对象是金属盐和水，所以如果能高度精制金属盐，就很容易得到高纯度是金属盐和水，所以如果能高度精制金属盐，就很容易得到高纯度的纳米粒子。的纳米粒子。常用的原料有：氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氨盐等无机盐以及金属醇盐。通过配置无机盐的水合物，控制其水解条件，合成单分散性的球、通过配置无机盐的水合物，控制其水解条件，合成单分散性的球、立方体等形状的纳米粒子。例如对钛盐溶液的水解可以使其沉淀，立方体等形状的纳米粒子。例如对钛盐溶液的水解可以使其沉淀，合成球状的单分散形态的二氧化钛纳
45、米粒子。通过水解三价铁盐溶合成球状的单分散形态的二氧化钛纳米粒子。通过水解三价铁盐溶液，可以得液，可以得Fe2O3纳米粒子。纳米粒子。无机盐水解法无机盐水解法液相反应法液相反应法水解沉淀法水解沉淀法第四十九页，本课件共有81页水热氧化：水热氧化：mM+nH2O MmOn+H2水热沉淀：水热沉淀：KF+MnCl2 KMnF2水热合成：水热合成：FeTiO3+KOH K2O.nTiO2水热还原：水热还原：MexOy+yH2 xMe+yH2O水热分解：水热分解：ZrSiO4+NaOH ZrO2+Na2SiO3水热结晶：水热结晶：Al(OH)3 Al2O3.H2O液相反应法液相反应法水热法水热法水热过
46、程是指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流水热过程是指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流体中所进行有关化学反应的总称。水热条件能加速离子体中所进行有关化学反应的总称。水热条件能加速离子反应和促进水解反应。反应和促进水解反应。第五十页，本课件共有81页5mL 0.02M AgNO5mL 0.02M AgNO3 3 和和5mL 0.02M NaCl 5mL 0.02M NaCl，加入到，加入到30mL30mL蒸馏水中，搅拌生成蒸馏水中，搅拌生成AgClAgCl胶体，然后胶体，然后0.04g,0.2mmol0.04g,0.2mmol的葡萄糖溶在上述胶体溶液中，移入内衬的葡萄糖溶在上述胶体溶液中，移
47、入内衬TeflonTeflon的的50mL50mL合成弹中，在加热炉中合成弹中，在加热炉中180C180C下保持下保持1818小时，空气中冷却至室温，蒸馏水和小时，空气中冷却至室温，蒸馏水和酒精冲洗银灰色沉淀，真空酒精冲洗银灰色沉淀，真空60 C60 C干燥干燥2 2小时。小时。水热法合成水热法合成Ag纳米粒子纳米粒子SEM image of samples obtained at 180C after a reaction time of A)6h,B)9h,C)12hChem.Eur.J.2005,11,160-163.第五十一页，本课件共有81页 基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接
48、形成溶基本原理是：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。液相反应法液相反应法溶胶凝胶法溶胶凝胶法第五十二页，本课件共有81页金属纳米粒子的化学合成方法金属纳米粒子的化学合成方法Shipway,A.N.;Katz,E.;Willner,I.CHEMPHYSCHM.2000,1,18-52.第五十三页，本课件共有81页1.Metal Compound2.Solvents：Water Polar/Non-polar org
49、anic solvents3.Reducing agent：Gaseous hydrogen,Hydridic compounds Reducing organics,e.g.alcohols4.Stabilizers(Stabilizing agents/ligands/capping agents/passivating agents):organic ligands,surfactants,polymers,polyoxoanions,et al.prevent uncontrollable growth of particles prevent particle aggregation
50、 control growth rate controls particle size allows particle solubility in various solvents金属纳米粒子的化学合成方法金属纳米粒子的化学合成方法第五十四页，本课件共有81页金属纳米粒子的化学合成方法金属纳米粒子的化学合成方法第五十五页，本课件共有81页金属纳米粒子的化学合成方法金属纳米粒子的化学合成方法(1)第五十六页，本课件共有81页(2)(3)第五十七页，本课件共有81页A)dictation by the anisotropic crystallographic structure of a soli