納米材料習(xí)題答案

1、納米材料習(xí)題答案1、簡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。現(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。因為這些單元最具有量子的性質(zhì)，所以對零維，一維，二維的基本單元，分別又具有量子點，量子線和量子阱之稱。2、什么是原子團簇？談?wù)勊姆诸悺Ｔ訄F皴：指幾個至幾FT個原子的聚集體(

2、粒柱一股等干或小于inm).原子團簇的分類才a一無原子團遂：即同一種庶于形成的團域,如金屬團髏，乖金屬團族.碳蛛等.b一元原子M族二即有兩種嶂子構(gòu)續(xù)的團旗.例如mPm,AtiSe等.c於元原子風(fēng)力知有親種原子構(gòu)成的團簇，例如VEC6H0E等d原子軟化合物;基原子田躡叮苴它分子漢配位鍵形儂的化合物.(Ag)n(NH3)m3、通過Raman光譜中任何鑒別單壁和多臂碳納米管？如何計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)呼吸振動模式；1609cm-1,這是定向

3、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:單壁管的直徑，nm;w：為特征拉曼峰的波數(shù)cm-14、論述碳納米管的生長機理(圖)。答：碳納米管的生長機理包括V-L-S機理、表面(六元環(huán))生長機理。(1) V-L-S機理：金屬和碳原子形成液滴合金，當碳原子在液滴中達到飽和后開始析出來形成納米碳管。根據(jù)催化劑在反應(yīng)過程中的位置將其分為頂端生長機理、根部生長機理。頂端生長機理：在碳納米管頂部，催化劑微粒沒有被碳覆蓋的的部分，吸附并催化裂解碳氫分子而產(chǎn)生碳原子，碳原子在催化劑表面擴散或穿過催化劑進入碳納米管與催化劑接觸的開口處，實現(xiàn)碳納米管的生長，在碳納米管的生長

4、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而遷移；根部生長機理：碳原子從碳管的底部擴散進入石墨層網(wǎng)絡(luò)，擠壓而形成碳納米管，底部生長機理最主要的特征是：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)）生長機理：碳原子直接在催化劑的表面生長形成碳管，不形成合金。表面擴散機理：用苯環(huán)坐原料來生長碳納米管，如果苯環(huán)進入催化劑內(nèi)部，會被分解而產(chǎn)生碳氫化合物和氫氣同時副產(chǎn)物的檢測結(jié)果為只有氫氣而沒有碳氫化化物。說明苯環(huán)沒有進入催化劑液滴內(nèi)部，而只是在催化劑表面脫氫生長，也符合“帽式”生長機理。5、論述氣相和溶液法生長納米線的生長機理。（1）氣相法反應(yīng)機理包括：V

5、-L-S機理、V-S機理、碳納米管模板法、金屬原位生長。V-L-S機理：反應(yīng)物在高溫下蒸發(fā)，在溫度降低時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，并且它的尺寸限定了納米絲的臨界成核直徑，從而使生長的絲為納米級。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，同時消耗自身；另一方面提供了納米線生長的場所，同時也限制了生成物的生長方向。金屬原位生長：（2）溶液法

6、反應(yīng)機理包括溶液液相固相、選擇性吸附。S-L-S機理：SLS法和VLS法很相似，二者的主要差別在于SLS法納米線成長的液態(tài)團簇來源于溶液相，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，并在平行于生長方向的晶面生長。6、解釋納米顆粒紅外吸收寬化和藍移的原因。答：紅外吸收帶的寬化原因：納米氮化硅、SiC、及A12O3粉對紅外有一個寬頻帶強吸收譜，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，沒有一個單一的，擇優(yōu)的鍵振動模，而存在一個較寬的鍵振動模的分布，在紅外光場作用下，它們對紅外吸收的頻率也就存在一個較寬的分布。這就導(dǎo)致了納米粒子紅

7、外吸收帶的寬化。藍移原因：與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移”現(xiàn)象，即吸收帶移向短波長方向。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。鍵長的縮短導(dǎo)致納米微粒的鍵本征振動頻率增大，結(jié)果使紅外光吸收帶移向了高波數(shù)。（化學(xué)鍵的振動）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等對這種藍移現(xiàn)象給出了普適性的解釋：已被電子占據(jù)分子軌道能級與未被占據(jù)分子軌道能級之間的寬度（能隙）隨顆粒直徑減小而增大，這是產(chǎn)生藍移的根本原因。這種解釋對半導(dǎo)體和絕緣體都適應(yīng)。（電子躍遷）7

8、、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，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴時，電子具有還原性，空穴具有氧化性。空穴與半導(dǎo)體納米粒子表面OHF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物氧化為CO2和H2O等無機物。提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)帶與價帶的氧化一還原電位。價帶的氧化一還原電位越正，導(dǎo)帶的氧化一還原電位越負，則光生電子和空穴的還原及氧化能力越強，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.當半導(dǎo)體粒子dv某一臨界

9、值，量子尺寸效應(yīng)變的顯著，這時導(dǎo)帶與價帶變成分離能級，能隙變寬，價帶電位變的更正，導(dǎo)帶電位變的更負，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單的擴散，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)部擴散到表面的時間越小，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，大大增強了半導(dǎo)體催化吸附的能力從而提高了光催化降解有機物的能力。)(2)通過對納米半導(dǎo)體材料進行敏化，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、什么是庫侖堵

10、塞效應(yīng)以及觀察到的條件？答：庫侖堵塞效應(yīng)：由于庫侖堵塞能的存在對一個小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子傳輸，這種現(xiàn)象叫做庫侖堵塞效應(yīng)。庫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)計如果量子點的尺寸為nm,可在室溫下觀察到上述效應(yīng)。量子點是十幾ns上述效應(yīng)必須在液氮溫度下。9、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)對其吸收邊，發(fā)光峰的影響。答：+；2pr-_0.24既桁式中：E(r):納米微粒的吸收帶隙,Eg(r=8)為體相的帶隙,r為粒子半徑科=me-1+mh1-1為粒子的折合質(zhì)量,第二項為量子限域能(藍移)其中me和mh分

11、別為電子和空穴的有效質(zhì)量,第三項表明介電限域效應(yīng),第四項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)生藍移；介電限域效應(yīng)導(dǎo)致介電常數(shù)£增加引起吸收邊藍移，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，使RamartW向低波方向移動，發(fā)生藍移，表面包覆或鑲嵌某物質(zhì)時，Raman考慮正壓力的影響，正壓力增加，Ramanbt譜向高波數(shù)方向移動，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，進一步

12、發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長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)能夠控制檢測生長速度：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)原理或裝置特點分類：若為敞開體系：包括一般性溶液反應(yīng)若為密閉體系：水熱、溶劑熱有機溶劑參與反應(yīng)：有機溶劑回流膠體化學(xué)法：在有機相中反應(yīng)，反應(yīng)能溶于有機相形成膠體溶液。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：

13、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)動力是靠外因還是靠內(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)筑成一個納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣

14、。納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系的形成有兩個重要的條件：(1)有足夠數(shù)量非共價鍵或氫鍵存在(因為氫鍵和范德瓦耳斯鍵等非共價鍵很弱(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簇的超分子化學(xué)組裝方法可分為兩類：DNA旨導(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

15、團簇組裝成膠態(tài)晶體，得到二維或三維的超晶格；模板法：是利用納米團簇與組裝模板間的識別作用來帶動團簇的組裝，由于選定的組裝模板與納米顆粒之間的識別作用，而使得模板對組裝過程具有指導(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

16、，3D向列。(3)電場驅(qū)動組裝：采用電場驅(qū)動組裝的方法將納米線的組裝與其半導(dǎo)體性質(zhì)的測量聯(lián)系起來。(4)催化劑的圖案化；通過對催化劑模板化，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襯底上生長分級納米結(jié)構(gòu)；以ZnO,SnO2和石墨粉的混合物在多晶A12O3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；納米管收音機；納米尺度太陽能電池。a弋NN力15、簡述“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，

17、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，而在口比咤中的可溶性差。先將包覆型Ag粒子溶解在己烷中。如果將口比咤緩慢加到含有包覆型Ag粒子的己烷中，則當口比咤達到某一給定體積時，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，溶液中加口比咤，Ag粒子聚集沉淀。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）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，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0.03科m2到0.55科m2經(jīng)高倍放大后，可看到，納米粒子有兩種不同的對稱性排列。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)該具有增強物理和化學(xué)性能。答：納米結(jié)構(gòu)單元：0維：團簇、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