納米材料習(xí)題答案

1、納米材料習(xí)題答案1、 簡(jiǎn)單論述納米材料的定義與分類。答：最初納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在廣義:納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍，或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料可分為三大類：零維：指在空間三維尺度均在納米尺度，如：納米顆粒，原子團(tuán)簇等。一維：指在空間有兩處處于納米尺度，如：納米絲，納米棒，納米管等。二維：指在三維空間中有一維處在納米尺度，如：超薄膜，多層膜等。因?yàn)檫@些單元最具有量子的性質(zhì)，所以對(duì)零維，一維，二維的基本單元，分別又具有量子點(diǎn)，量子線和量子阱之稱。2、 什么是原子團(tuán)簇? 談?wù)勊姆诸悺?、通過Raman 光譜中任何鑒別

2、單壁和多臂碳納米管? 如何計(jì)算單壁碳納米管直徑? 答：利用微束拉曼光譜儀能有效地觀察到單臂納米管特有的譜線，這是鑒定單臂納米管非常靈敏的方法。100-400cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)單臂納米管的特征峰，單臂納米管特有的環(huán)呼吸振動(dòng)模式；1609cm-1，這是定向多壁納米管的拉曼特征峰。單臂管的直徑d與特征拉曼峰的波數(shù)成反比，即d=224/wd：?jiǎn)伪诠艿闹睆?，nm；w：為特征拉曼峰的波數(shù)cm-14、 論述碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理（圖）。答：碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理包括V-L-S機(jī)理、表面（六元環(huán)）生長(zhǎng)機(jī)理。（1） V-L-S機(jī)理：金屬和碳原子形成液滴合金，當(dāng)碳原子在液滴中達(dá)到飽和后開始析出來形成納米碳管。根據(jù)催化劑在

3、反應(yīng)過程中的位置將其分為頂端生長(zhǎng)機(jī)理、根部生長(zhǎng)機(jī)理。頂端生長(zhǎng)機(jī)理：在碳納米管頂部，催化劑微粒沒有被碳覆蓋的的部分，吸附并催化裂解碳?xì)浞肿佣a(chǎn)生碳原子，碳原子在催化劑表面擴(kuò)散或穿過催化劑進(jìn)入碳納米管與催化劑接觸的開口處，實(shí)現(xiàn)碳納米管的生長(zhǎng)，在碳納米管的生長(zhǎng)過程中，催化劑始終在碳納米管的頂端，隨著碳納米管的生長(zhǎng)而遷移；根部生長(zhǎng)機(jī)理：碳原子從碳管的底部擴(kuò)散進(jìn)入石墨層網(wǎng)絡(luò)，擠壓而形成碳納米管，底部生長(zhǎng)機(jī)理最主要的特征是：碳管一末端與催化劑微粒相連，另一端是不含有金屬微粒的封閉端；（2）表面（六元環(huán)）生長(zhǎng)機(jī)理：碳原子直接在催化劑的表面生長(zhǎng)形成碳管，不形成合金。表面擴(kuò)散機(jī)理：用苯環(huán)坐原料來生長(zhǎng)碳納米管，如

4、果苯環(huán)進(jìn)入催化劑內(nèi)部，會(huì)被分解而產(chǎn)生碳?xì)浠衔锖蜌錃馔瑫r(shí)副產(chǎn)物的檢測(cè)結(jié)果為只有氫氣而沒有碳?xì)浠铩Ｕf明苯環(huán)沒有進(jìn)入催化劑液滴內(nèi)部，而只是在催化劑表面脫氫生長(zhǎng)，也符合“帽式”生長(zhǎng)機(jī)理。5、 論述氣相和溶液法生長(zhǎng)納米線的生長(zhǎng)機(jī)理。（1）氣相法反應(yīng)機(jī)理包括：V-L-S機(jī)理、V-S機(jī)理、碳納米管模板法、金屬原位生長(zhǎng)。V-L-S機(jī)理：反應(yīng)物在高溫下蒸發(fā)，在溫度降低時(shí)與催化劑形成低共熔液滴，小液滴相互聚合形成大液滴，并且共熔體液滴在端部不斷吸收粒子和小的液滴，最后由于微粒的過飽和而凝固形成納米線。V-S機(jī)理：首先沉底經(jīng)過處理，在其表面形成許多納米尺度的凹坑蝕丘，這些凹坑蝕丘為納米絲提供了成核位置，并且它

5、的尺寸限定了納米絲的臨界成核直徑，從而使生長(zhǎng)的絲為納米級(jí)。碳納米管模板法：采用碳納米管作為模板，在一定溫度和氣氛下，與氧化物反應(yīng)，碳納米管一方面提供碳源，同時(shí)消耗自身；另一方面提供了納米線生長(zhǎng)的場(chǎng)所，同時(shí)也限制了生成物的生長(zhǎng)方向。金屬原位生長(zhǎng)：（2） 溶液法反應(yīng)機(jī)理包括溶液液相固相、選擇性吸附。S-L-S機(jī)理：SLS 法和 VLS 法很相似，二者的主要差別在于 SLS 法納米線成長(zhǎng)的液態(tài)團(tuán)簇來源于溶液相，而 VLS 法則來自蒸氣相。選擇性吸附：選擇性吸附配位劑或表面活性劑，并在平行于生長(zhǎng)方向的晶面生長(zhǎng)。6、 解釋納米顆粒紅外吸收寬化和藍(lán)移的原因。答：紅外吸收帶的寬化原因：納米氮化硅、SiC、及

6、Al2O3粉對(duì)紅外有一個(gè)寬頻帶強(qiáng)吸收譜，這是由于納米粒子大的比表面導(dǎo)致了平均配位數(shù)下降，不飽和鍵和懸鍵增多，與常規(guī)大塊材料不同，沒有一個(gè)單一的，擇優(yōu)的鍵振動(dòng)模，而存在一個(gè)較寬的鍵振動(dòng)模的分布，在紅外光場(chǎng)作用下，它們對(duì)紅外吸收的頻率也就存在一個(gè)較寬的分布。這就導(dǎo)致了納米粒子紅外吸收帶的寬化。藍(lán)移原因：與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長(zhǎng)方向。表面效應(yīng)：由于納米微粒尺寸小，大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。對(duì)納米氧化物和氮化物小粒子研究表明：第一近鄰和第二近鄰的距離變短。鍵長(zhǎng)的縮短導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動(dòng)頻率增大，結(jié)果使紅外光吸收帶移向了高波數(shù)。（化學(xué)鍵的振

7、動(dòng)）量子尺寸效應(yīng)：由于顆粒尺寸下降能隙變寬，這就導(dǎo)致光吸收帶移向短波方向。Ball等對(duì)這種藍(lán)移現(xiàn)象給出了普適性的解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級(jí)與未被占據(jù)分子軌道能級(jí)之間的寬度（能隙）隨顆粒直徑減小而增大，這是產(chǎn)生藍(lán)移的根本原因。這種解釋對(duì)半導(dǎo)體和絕緣體都適應(yīng)。（電子躍遷）7、 論述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途徑。答：光催化的基本原理：當(dāng)半導(dǎo)體納米粒子受到大于禁帶寬度能量的光子照射后，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴時(shí)，電子具有還原性，空穴具有氧化性?？昭ㄅc半導(dǎo)體納米粒子表面OH反應(yīng)生成氧化性很高的OH自由基，這種活潑的OH自由基可把許多難降解的有機(jī)物氧化為CO2和H2O等無(wú)機(jī)物。提

8、高光催化活性的途徑：半導(dǎo)體的光催化活性主要取決于:導(dǎo)帶與價(jià)帶的氧化還原電位。價(jià)帶的氧化還原電位越正，導(dǎo)帶的氧化還原電位越負(fù)，則光生電子和空穴的還原及氧化能力越強(qiáng)，光催化的效率就越高。（1）減小半導(dǎo)體光催化劑的顆粒尺寸，可以提高其催化效率。（a.當(dāng)半導(dǎo)體粒子d某一臨界值，量子尺寸效應(yīng)變的顯著,這時(shí)導(dǎo)帶與價(jià)帶變成分離能級(jí)，能隙變寬，價(jià)帶電位變的更正，導(dǎo)帶電位變的更負(fù)，這就增加了光生空穴和電子的氧化還原能力。b.光生載流子可通過簡(jiǎn)單的擴(kuò)散，從粒子內(nèi)部遷移到粒子的表面，而與電子給體或受體發(fā)生氧化還原反應(yīng)，電子從內(nèi)部擴(kuò)散到表面的時(shí)間越小，光電電荷分離效果就越高，電子和空穴的復(fù)合概率就越小，從而導(dǎo)致光催化

9、活性的提高。c.納米半導(dǎo)體的尺寸越小，處于表面的原子越多，比表面積越大，大大增強(qiáng)了半導(dǎo)體催化吸附的能力從而提高了光催化降解有機(jī)物的能力。）（2）通過對(duì)納米半導(dǎo)體材料進(jìn)行敏化，攙雜，表面修飾以及表面沉淀金屬或金屬氧化物等方法，顯著改善光吸收及光催化性能8、 什么是庫(kù)侖堵塞效應(yīng)以及觀察到的條件？答：庫(kù)侖堵塞效應(yīng)：由于庫(kù)侖堵塞能的存在對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子傳輸，這種現(xiàn)象叫做庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。庫(kù)侖堵塞是在極低溫度下觀察到的.觀察到的條件是:（e2/2C）kBT有人曾統(tǒng)計(jì)如果量子點(diǎn)的尺寸為nm，可在室溫下觀察到上述效應(yīng)。量子點(diǎn)是十幾nm。上述效應(yīng)必須在液氮溫度下。9、

10、 討論半導(dǎo)體納米顆粒的量子限域效應(yīng)和介電限域效應(yīng)對(duì)其吸收邊，發(fā)光峰的影響。答： +=emph式中：E（r）:納米微粒的吸收帶隙，Eg(r=)為體相的帶隙，r為粒子半徑=me-1+mh-1-1為粒子的折合質(zhì)量，其中me和mh分別為電子和空穴的有效質(zhì)量第二項(xiàng)為量子限域能（藍(lán)移），第三項(xiàng)表明介電限域效應(yīng),第四項(xiàng)為有效里德伯能由上式可以看出，隨著粒子半徑的減少，量子限域效應(yīng)為主，其吸收光譜發(fā)生藍(lán)移；介電限域效應(yīng)導(dǎo)致介電常數(shù)增加引起吸收邊藍(lán)移，其吸收光譜發(fā)生紅移。10、 納米材料中的聲子限域和壓應(yīng)力如何影響其Raman 光譜。答：聲子限域效應(yīng)加強(qiáng)，使Raman峰向低波方向移動(dòng)，發(fā)生藍(lán)移，表面包覆或鑲嵌某

11、物質(zhì)時(shí)，Raman要考慮正壓力的影響，正壓力增加，Raman光譜向高波數(shù)方向移動(dòng)，發(fā)生紅移。11、 論述制備納米材料的氣相法和濕化學(xué)法。（1）高溫氣相法：指直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變成氣體，在載氣的作用下通過傳輸在反應(yīng)區(qū)冷凝，進(jìn)一步發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長(zhǎng)大形成納米顆粒的方法。高溫氣相法根據(jù)反應(yīng)原理或裝置特點(diǎn)分類：若反應(yīng)中沒有化學(xué)反應(yīng)：熱蒸發(fā)法若反應(yīng)中有化學(xué)反應(yīng)：化學(xué)氣相沉積若反應(yīng)中使用金屬氧化物：金屬有機(jī)化學(xué)沉積若反應(yīng)中有激光激發(fā)：激光燒蝕法若反應(yīng)能夠控制檢測(cè)生長(zhǎng)速度：分子束外延技術(shù)（2） 濕化學(xué)法：有液相參加，通過化學(xué)反應(yīng)來制備材料的方法。濕化學(xué)法根據(jù)反應(yīng)原理或裝

12、置特點(diǎn)分類：若為敞開體系：包括一般性溶液反應(yīng)若為密閉體系：水熱、溶劑熱有機(jī)溶劑參與反應(yīng)：有機(jī)溶劑回流膠體化學(xué)法：在有機(jī)相中反應(yīng)，反應(yīng)能溶于有機(jī)相形成膠體溶液。12、什么是納米結(jié)構(gòu)，并舉例說明它們是如何分類的，自組裝納米結(jié)構(gòu)形成的條件是什么。答：納米結(jié)構(gòu)：是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)。按一定規(guī)律構(gòu)筑和營(yíng)造一種新的體系。它包括一維、二維、三維體系。分類:關(guān)于納米結(jié)構(gòu)組裝體系的劃分至今沒有一個(gè)成熟的看法。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程的驅(qū)動(dòng)力是靠外因還是靠?jī)?nèi)因來劃分，大致可分為兩大類。1.人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系：按照人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人為的將納米尺度的物質(zhì)單元組裝。排列構(gòu)成一維、二維和三維的納

13、米結(jié)構(gòu)體系。包括納米有序陣列和介孔復(fù)合體系。2.納米結(jié)構(gòu)自組裝體系和分子自組裝體系：是指通過弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵、配位鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子、分子或納米結(jié)構(gòu)單元連接在一起構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系的形成有兩個(gè)重要的條件：（1）有足夠數(shù)量非共價(jià)鍵或氫鍵存在（因?yàn)闅滏I和范德瓦耳斯鍵等非共價(jià)鍵很弱（0.15kcal/mol）只有足夠量的弱鍵存在，才能通過協(xié)同作用構(gòu)筑成穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)體系。(2)是自組裝體系能量較低，否則很難形成穩(wěn)定的自組裝體系。13、簡(jiǎn)單討論納米顆粒的組裝方法答：納米顆粒的組裝的基本思路是溶解、揮發(fā)、組裝。溶解：配

14、制成膠體溶液揮發(fā)：自然揮發(fā)或者加入使溶質(zhì)溶解度降低的溶劑，使其從溶液中沉淀出來。組裝：人工組裝或自組裝納米團(tuán)簇的超分子化學(xué)組裝方法可分為兩類：DNA指導(dǎo)：氣泡作模板：半導(dǎo)體納米粒子組裝：金屬膠體組裝：膠態(tài)晶體法：是利用膠體溶液的自組裝特性使納米團(tuán)簇組裝成膠態(tài)晶體，得到二維或三維的超晶格；模板法：是利用納米團(tuán)簇與組裝模板間的識(shí)別作用來帶動(dòng)團(tuán)簇的組裝，由于選定的組裝模板與納米顆粒之間的識(shí)別作用，而使得模板對(duì)組裝過程具有指導(dǎo)作用，組裝過程更完善；14、 論述一維納米結(jié)構(gòu)的組裝，并介紹2種納米器件的結(jié)構(gòu)（圖）。答：一維納米結(jié)構(gòu)的組裝：（1） 模板法組裝納米結(jié)構(gòu)：將流體組裝技術(shù)與表面模板技術(shù)結(jié)合在一起成

15、功地將一維納米結(jié)構(gòu)組裝成平行陣列。（2）L-B技術(shù)表面壓力組裝納米棒陣列：通過表面張力的遞增，使原本無(wú)序排列的各向同性的納米棒首先排列成二維向列性排布，繼而排列成二維近晶性的有序結(jié)構(gòu)，多層這種二維結(jié)構(gòu)疊加在一起，最終得到三維排列的有序納米棒的陣列，3D向列。（3）電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)組裝：采用電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)組裝的方法將納米線的組裝與其半導(dǎo)體性質(zhì)的測(cè)量聯(lián)系起來。（4）催化劑的圖案化；通過對(duì)催化劑模板化，在有催化劑的地方反應(yīng)，沒有催化劑的地方不反應(yīng)，從而制備一定規(guī)則的納米結(jié)構(gòu)材料。（5）其他方法：eg加熱ZnO,In2O3和石墨粉末的混合物在碳襯底或Si襯底上生長(zhǎng)分級(jí)納米結(jié)構(gòu)；以ZnO，SnO2和石墨粉的混合物在多

16、晶Al2O3襯底上分別得到了ZnO螺旋槳狀納米結(jié)構(gòu)。2種納米器件的結(jié)構(gòu)：ZnO納米線直流發(fā)電機(jī)；納米管收音機(jī)；納米尺度太陽(yáng)能電池。15、 簡(jiǎn)述“尺寸選擇沉淀法”制備單分散銀納米顆粒的基本原理。答：十二烷硫醇包覆的Ag粒子在庚烷中將其分散，這些粒子尺寸分散性比較大，為了降低這種多分散性，需要采用尺寸選擇沉淀法。具體做法是：包覆型Ag粒子在己烷中具有高的可溶性，而在吡啶中的可溶性差。先將包覆型Ag粒子溶解在己烷中。如果將吡啶緩慢加到含有包覆型Ag粒子的己烷中，則當(dāng)吡啶達(dá)到某一給定體積時(shí)，溶液將出現(xiàn)渾濁，并有沉淀出現(xiàn)，這相應(yīng)于最大粒子的凝聚。這些粒子之間的范得瓦耳斯力比較大，溶液中加吡啶，Ag粒子聚

17、集沉淀。經(jīng)離心沉淀分離，將大粒子收集起來，小粒子留在懸浮液中。（離心的轉(zhuǎn)速要適當(dāng)）最大粒子凝聚體是可逆的。如將這些沉淀物放入己烷中再分散，即可形成均質(zhì)的清澈透明溶液。將上述溶液滴一滴到TEM的碳柵極上，可得非常完整的組織。（如果將碳柵極浸入溶液3小時(shí)，則形成六角密堆積網(wǎng)絡(luò)有序結(jié)構(gòu)，這些聚集體的平均尺寸可以從0.03m2到0.55m2。經(jīng)高倍放大后，可看到，納米粒子有兩種不同的對(duì)稱性排列。16、目前人們已經(jīng)制備了哪些納米結(jié)構(gòu)單元、復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)和納米器件。并說明那些納 米結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有增強(qiáng)物理和化學(xué)性能。答：納米結(jié)構(gòu)單元：0維: 團(tuán)簇、納米顆粒、八面體、三角形、多面體等；一維: 納米線、納米棒、納米帶、納米管和納米錐等；二維: 納米片等。復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)：嵌段共聚物有序的自組裝成為超分子納米結(jié)構(gòu)；多層膜；自組裝形成管狀、球狀、層狀和蘑