第七章 功能轉(zhuǎn)換材料、納米材料

1、第七章 功能轉(zhuǎn)換材料、納米材料一、 功能能轉(zhuǎn)換材料一次功能：向材料輸入的能量和輸出的能量為統(tǒng)一形式，材料起到載體作用。 例導(dǎo)電、傳熱、透光、吸附等。二次功能：向材料輸入的能量和輸出的能量為統(tǒng)一形式，材料起到轉(zhuǎn)換作用。 例光能與其他形式的能量的轉(zhuǎn)換 光分解、光化學(xué)、光到電等； 電能與其他形式的能量的轉(zhuǎn)換 電磁效應(yīng)、熱電效應(yīng)等； 磁能與其他形式的能量的轉(zhuǎn)換 光磁效應(yīng)、磁冷凍效應(yīng)等； 機(jī)械與其他形式的能量的轉(zhuǎn)換 熱彈性、機(jī)械化學(xué)、壓電等。以上二次功能材料都屬于功能轉(zhuǎn)換材料。 二、 “光化學(xué)” 功能轉(zhuǎn)換材料光催化材料1 定義：光的照射下，促進(jìn)化合物（有機(jī)、無(wú)機(jī)）合成或分解。光能化學(xué)能2 應(yīng)用

2、：太陽(yáng)能利用、污水處理、空氣凈化、除菌保潔等。（環(huán)保、能源材料）3 TiO2光催化劑的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1）三種晶型： 板鈦礦銳鈦礦金紅石 2） 能帶結(jié)構(gòu)：銳鈦礦禁帶寬度（Eg）為3.2ev，根據(jù)g（nm）=1240/Eg=387nm，需要紫外光源照射。3）光催化降解機(jī)理：羥基自由基（·OH）的強(qiáng)氧化性4 研究現(xiàn)狀能源利用：光的照射下，TiO2將H2OH2；污水處理：（美國(guó)）對(duì)海上石油泄漏進(jìn)行處理；殺菌保潔：（日本）保潔瓷磚、自潔凈玻璃光催化技術(shù)存在的問(wèn)題：1） 光催化劑2） 負(fù)載3） 反應(yīng)器三、納米材料簡(jiǎn)介1 基本概念    著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者F

3、eyneman（費(fèi)曼）早在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說(shuō)的材料就是現(xiàn)在的納米材料。1）納米材料：指晶粒尺寸為1100nm的超細(xì)材料(nm=10-9m)。2）組成部分：納米晶粒具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)；晶界既沒(méi)長(zhǎng)程序，也沒(méi)短程序的無(wú)序結(jié)構(gòu)。 在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來(lái)說(shuō)，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。    由于納米粒

4、子細(xì)化，晶界數(shù)量大幅度的增加，可使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大為提高。其結(jié)構(gòu)顆粒對(duì)光，機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級(jí)的結(jié)構(gòu)顆粒，使得納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性，例如：納米相銅強(qiáng)度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的，這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)，可望得到諸如高強(qiáng)度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規(guī)模復(fù)合材料等新一代材料，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長(zhǎng)期未能解決的問(wèn)題開(kāi)拓了新的途徑。 2 發(fā)展1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的著名學(xué)者格萊特把在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，制出了世界上第一塊納米材料

5、，開(kāi)納米材料學(xué)之先河, 從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。3 納米尺寸效應(yīng)3. 1 表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如下圖所示：                          &#

6、160;        表面原子數(shù)與粒徑的關(guān)系從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很高的化學(xué)活性。3. 2體積效應(yīng)由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。

7、久保理論是針對(duì)金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡(jiǎn)并電子態(tài)，并進(jìn)一步假設(shè)它們的能級(jí)為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級(jí)，并認(rèn)為相鄰電子能級(jí)間距和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：          =4EF/3N V-1 1/d3 其中 N為一個(gè)金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，V為納米粒子的體積；EF為費(fèi)米能級(jí)隨著納米粒子的直徑減小，能級(jí)間隔增大，電子移動(dòng)困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。3. 3量子尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某

8、一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，使得能隙變寬的現(xiàn)象，被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。在納米粒子中處于分立的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性帶來(lái)了納米粒子的一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)，超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或與磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變，金屬熔點(diǎn)降低，增強(qiáng)微波吸收等。利用等離子共振

9、頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱型飛機(jī)等。4 納米材料的特點(diǎn)當(dāng)粒子的尺寸減小到納米量級(jí)，將導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱性能呈現(xiàn)新的特性。比方說(shuō)：被廣泛研究的IIVI族半導(dǎo)體硫化鎘，其吸收帶邊界和發(fā)光光譜的峰的位置會(huì)隨著晶粒尺寸減小而顯著藍(lán)移。按照這一原理，可以通過(guò)控制晶粒尺寸來(lái)得到不同能隙的硫化鎘，這將大大豐富材料的研究?jī)?nèi)容和可望得到新的用途。我們知道物質(zhì)的種類是有限的，微米和納米的硫化鎘都是由硫和鎘元素組成的，但通過(guò)控制制備條件，可以得到帶隙和發(fā)光性質(zhì)不同的材料。也就是說(shuō)，通過(guò)納米技術(shù)得到了全新的材料。納米顆粒往往具有很大的比表面積，每克這種固體的比表面積能達(dá)到幾百甚至上千平方米，這使得它們可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機(jī)合成和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。對(duì)納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強(qiáng)”這六個(gè)字來(lái)概括?！案p”是指，借助于納米材料和技術(shù)，我們可以制備體積更小性能不變甚至更好的器件，減小器件的體積，使其更輕盈。第一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要三間房子來(lái)存放，正是借助與微米級(jí)的半