3绿色纳米材料(绿色化学原理与绿色产品设计)课件.ppt

1、第四章第四章 2016年年4月月8日日第四章第四章 绿色材料绿色材料主要内容主要内容 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，really really really small！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。1 1nmnmH HEarth 1.2 x 107 m（2）纳米是社会实践体系纳米是社会实践体系 a.掀起广泛深入的社会实践活动

2、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；纳米碳酸钙是纳米碳酸钙是20世纪世纪80年代发展起来的一种新年代发展起来的一种新型超细固体粉末材料，型超细固体粉末材料，其粒度介于其粒度介于0.010.1m之间。之间。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构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。筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。In this des

3、ign,two rigid diamondoid 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

4、that can be enhanced 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 elec

5、tron-rich interior 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 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度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范围(10-910-7m)或由它们作为基本单元

6、构成的材料或由它们作为基本单元构成的材料 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。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。的技术。纳米技术是一门高新技术，它对纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器世纪材料科学和微型器 件技术的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，从小件技术的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子

7、搭起来，就是到大，从下到上。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题。解决了环保问题。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。所谓纳纳米技术米技术，是指用数千个分子或原子制造新型材料或微，是指用数千个分子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，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。牛津大学材料系目前研究的纳米技术

8、项目有础。牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有4040多多个，其中主要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、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。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英国牛津大学材料系纳米材料专家保尔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 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,性质及其相互关性质及其相互关系和机理系和机理纳米材料含义：纳米材

9、料含义：当材料的尺寸小到纳米级以后（当材料的尺寸小到纳米级以后（1100 nm），材），材料的某些性能就会发生突变，出现传统材料所不料的某些性能就会发生突变，出现传统材料所不具备的特殊性能，即具不同于原来组成的原子、具备的特殊性能，即具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能椹的材料，分子，也不同于宏观的物质的特殊性能椹的材料，即为纳米材料。即为纳米材料。4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展 纳米材料的学术定义纳米材料的学术定义是：是：在三维尺寸中至少有一维处于纳米在三维尺寸中至少有一维处于纳米量级量级(10-910-7m)的材料，用通俗的话讲：纳米

10、材料是用尺寸只的材料，用通俗的话讲：纳米材料是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。小尺寸可引起的小尺寸可引起的表面效表面效应和量子效应应和量子效应。因此其物理性能发生极大变化。因此其物理性能发生极大变化。一是一是它对光的反射能力变得非常低它对光的反射能力变得非常低，低到，低到1%；二是二是机械、力学性能成倍增加机械、力学性能成倍增加；三是其三是其熔点会大大降低熔点会大大降低；四是四是有特殊的磁性有特殊的磁性。4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展 熔点降低熔点降低Au1064 Ag9002nmAu327 纳米纳米Ag100C

11、u32720nmCu39 表面积增大，表面能增大表面积增大，表面能增大粒径粒径 表面积表面积(m2/g)表面能表面能(J/mol)100nm 6.659010nm 6659001nm 660590004.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展 1984 1984年，德国萨尔兰大学的年，德国萨尔兰大学的G Gl leitereiter以及美国阿贡试验室以及美国阿贡试验室的的SiegeSiegel l相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。G1eiterG1eiter在高真在高真空的条件下将粒径为空的条件下将粒径为6nm6nm的的FeFe粒子原位加

12、压成形，烧结得到了纳粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1900 1900年年7 7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议术会议(NanoST)(NanoST)，正式宣市纳米材料科学成为材料科学的一，正式宣市纳米材料科学成为材料科学的一个新分支。个新分支。纳米材料的发展：纳米材料的发展：4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展 从此，纳米材料成为继互联网、基因等被人们关注的热从此，纳米材料成为继互联网、基因等被人们关注的热点名词之

13、后的义一亮点，很快引起了世界各同材料界和物理点名词之后的义一亮点，很快引起了世界各同材料界和物理界的极大关注和广泛重视，形成了世界性的界的极大关注和广泛重视，形成了世界性的“纳米热纳米热”。4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展中国科学院金属研究所中国科学院金属研究所 卢柯卢柯杨培栋、李亚栋、夏幼男、王中林、彭笑刚等杨培栋、李亚栋、夏幼男、王中林、彭笑刚等苏州大学功能纳米与软物质研究院苏州大学功能纳米与软物质研究院南京理工大学格莱特科技研究所南京理工大学格莱特科技研究所纳米材料分类：纳米材料分类：4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展分类方式

14、分类方式类类 别别 按化学组成分类按化学组成分类 纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等高分子、纳米复合材料等 按材料物性分类按材料物性分类 纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等 按用途分类按用途分类 纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等纳米光电子材料、纳米储能材料等4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳

15、米材料的含义和发展4.3.1 4.3.1 纳米材料的含义和发展纳米材料的含义和发展4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 传统纳米材料微粒的合成方法传统纳米材料微粒的合成方法种类较多，大体可分为种类较多，大体可分为物理法物理法、化学法和物理化学法合成方法化学法和物理化学法合成方法，或，或气相法气相法、液相法和固相法等液相法和固相法等合成方式合成方式。绿色纳米材料绿色纳米材料的合成（或制备）从的合成（或制备）从反应原料的绿色化反应原料的绿色化、溶溶剂的绿色化剂的绿色化、反应催化剂的绿色化角度反应催化剂的绿色化角度，考虑反应的适用性，可，考虑反应的适用性，可以利用以下几种方法合成（或

16、制备）。以利用以下几种方法合成（或制备）。4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成4.3.2.1 4.3.2.1 气相合成法气相合成法纳米微粒气相合成法纳米微粒气相合成法 气体冷凝法气体冷凝法 活性氢熔融金属反应法活性氢熔融金属反应法 电加热蒸发法电加热蒸发法 化学气相凝聚法化学气相凝聚法 4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 在低压氩、氮等惰性气体中在低压氩、氮等惰性气体中加热加热金属，使其蒸发后形成形成超金属，使其蒸发后形成形成超细微粒细微粒 。气体冷凝法的加热方式气体冷凝法的加热方式有：有：电阻加热法、等离子喷射法、高电阻加热法、等离子喷射法、高频感应法、电子

17、束法和激光法频感应法、电子束法和激光法。不同加热方式制备出的纳米微粒。不同加热方式制备出的纳米微粒的量、品种、粒径大小及分布等存在一定程度上的差异。的量、品种、粒径大小及分布等存在一定程度上的差异。气体冷凝法的原理气体冷凝法的原理是：是：在超高真空条件下将制得的纳米微粒在超高真空条件下将制得的纳米微粒紧压致密得到纳米微晶紧压致密得到纳米微晶。气体冷凝法可通过调节惰性气体的温度气体冷凝法可通过调节惰性气体的温度、压力，调节物质的蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小、压力，调节物质的蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小。（1 1）气体冷凝法）气体冷凝法 通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应

18、，在高温下通常是利用两种以上物质之间的气相化学反应，在高温下合成为相应的化合物，再经过快速冷凝，从而制备各类物质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：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)4.3.2 4.3.

19、2 纳米材料的合成纳米材料的合成4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 活性氢金属反应法的原理是使含有氢气的等离子体与金属活性氢金属反应法的原理是使含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，金属熔融，电离出的氮气、氩气等气体和氢气溶入间产生电弧，金属熔融，电离出的氮气、氩气等气体和氢气溶入熔融金属，然后在释放出的气体中形成金属的超微粒子，用离心熔融金属，然后在释放出的气体中形成金属的超微粒子，用离心收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离，从而获得纳米微粒。收集器、过滤式收集器使微粒与气体分离，从而获得纳米微粒。(2)(2)活性氢金属反应法活性氢金属反应法4.3.2 4.3.2 纳米材料的

20、合成纳米材料的合成 电电加热蒸发法的原理加热蒸发法的原理是是将碳棒与金属相接触，通电加热使金将碳棒与金属相接触，通电加热使金属熔化，金属与高温碳素反应并蒸发形成碳化物纳米超微粒子。属熔化，金属与高温碳素反应并蒸发形成碳化物纳米超微粒子。此方法主要用于制备一些如此方法主要用于制备一些如Cr、Ti、Zr、Mo、W和和Ta等金属的碳等金属的碳化物纳米粒子。化物纳米粒子。(3)(3)电加热蒸发法电加热蒸发法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 化学气相凝聚法的基本原理是利用高纯惰性气体为载气，携化学气相凝聚法的基本原理是利用高纯惰性气体为载气，携带金属有机前驱物如六甲基二硅烷等，进入钼

21、丝炉（炉温为带金属有机前驱物如六甲基二硅烷等，进入钼丝炉（炉温为11001400），惰性气体气氛的压力处与低压（），惰性气体气氛的压力处与低压（1001000Pa）状）状态，原料热解形成团簇，进而凝聚成纳米粒子，最后附着在内部态，原料热解形成团簇，进而凝聚成纳米粒子，最后附着在内部充满液氮的转动衬底上，用刮刀刮入纳米粉收集器中。充满液氮的转动衬底上，用刮刀刮入纳米粉收集器中。(4)(4)化学气相凝聚法化学气相凝聚法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成4.3.2.2 4.3.2.2 液相合成法液相合成法液相合成法液相合成法 沉淀法沉淀法水热合成法水热合成法 溶胶凝胶法溶胶凝胶法

22、微乳液法微乳液法 4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，或在一定温度下使把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，或在一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类并从溶液中析出，将沉淀经过热处理而得到纳米材料。类并从溶液中析出，将沉淀经过热处理而得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。氧化物。此法分为共沉淀法、均相沉淀法和金属醇盐水解法等此法分为共沉淀法、均相沉淀法和金属醇盐水解法等几种类型。几种类型。(1)(1)沉淀法

23、沉淀法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成常用的盐溶液原料有：氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氨常用的盐溶液原料有：氯化物、硫酸盐、硝酸盐、氨盐等无机盐以及金属醇盐。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，合成球状的单分散形态的二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米粒子。通过水解三价铁盐溶液，可以得氧化钛纳米粒子。通过水解三价铁盐溶液，可以得Fe2O3纳米粒子。纳米粒子。无机

24、盐水解法无机盐水解法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 水热反应是高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，水热反应是高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。、粒度易控制。此法可分为此法可分为水热氧化、水热沉淀、水热合成、水热水热氧化、水热沉淀、水热合成、水热还原、水热分解和水热结晶还原、水热分解和水热结晶等几种类型。等几种类型。(2)(2)水热合成法水热合成法水热氧化：水热氧化：mM+nH2O MmOn+H2水热沉淀：水热沉淀：KF+MnCl2 KMnF2水热合成：水

25、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.H2O4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成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

26、.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180180C C下保持下保持1818小时，空气中冷却至小时，空气中冷却至室温，蒸馏水和酒精冲洗银灰色沉淀，真空室温，蒸馏水和酒精冲洗银灰色沉淀，真空60 60 C C干燥干燥2 2小时。小时。SEM image of samples obtained at 180C after a reaction time of A)6h,B)9h,C)12hChem.Eur.J.2005,11,160-163.4.3.2 4.3.2 纳米

27、材料的合成纳米材料的合成 溶胶凝胶法是一种制备玻璃、陶瓷等无机材料工艺，用溶胶凝胶法是一种制备玻璃、陶瓷等无机材料工艺，用此法制备纳米微粒的原理是使金属化合物经溶液、溶胶、凝胶此法制备纳米微粒的原理是使金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经干燥、焙烧等热处理而生成纳米粒子。而固化，再经干燥、焙烧等热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和化物和族化合物的制备。族化合物的制备。(3)(3)溶胶凝胶法溶胶凝胶法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液两

28、种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，其特点粒子的单分散和界面性好，族半导体纳族半导体纳米粒子多用此法制备。米粒子多用此法制备。(4)(4)微乳液法微乳液法4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成4.3.2.3 4.3.2.3 固相合成法固相合成法 纳米材料固相合成法是纳米材料固相合成法是从固相到固相的变化来实现制从固相到固相的变化来实现制备纳米粉体备纳米粉体。固相中，分子、原子的扩散很迟缓，集体状。固相中，分子、原子的扩散很迟缓，集体状态多样化，

29、利用此法制得的固相粉体和最初固相可是同一态多样化，利用此法制得的固相粉体和最初固相可是同一物质，也可是不同物质。物质，也可是不同物质。纳米微粒固相合成法的机理纳米微粒固相合成法的机理过程是将大块物质极细、过程是将大块物质极细、微粒尺寸不断降低的过程以及将最小单位（分子或原子）微粒尺寸不断降低的过程以及将最小单位（分子或原子）组合构筑的过程。组合构筑的过程。4.3.2 4.3.2 纳米材料的合成纳米材料的合成 其中，尺寸降低过程是指物质无变化，采用机械粉碎（其中，尺寸降低过程是指物质无变化，采用机械粉碎（球磨法、喷射法等进行粉碎）、化学处理（溶出法）等；组球磨法、喷射法等进行粉碎）、化学处理（溶

30、出法）等；组合构筑过程是指物质发生变化，采用热分解法（大多为盐的合构筑过程是指物质发生变化，采用热分解法（大多为盐的分解）、固相反应法（大多为化合物）、火花放电法（如用分解）、固相反应法（大多为化合物）、火花放电法（如用金属铝生成氢氧化铝）等。金属铝生成氢氧化铝）等。此法特点是一步经固相物质即可制备纳米粉体。此法特点是一步经固相物质即可制备纳米粉体。4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能4.3.3.1 4.3.3.1 基本物理效应基本物理效应 由由于纳米材料集中体现了于纳米材料集中体现了小尺度小尺度、复杂结构复杂结构、高集成度高集成度和和强相互作用强相互作用以及以

31、及高比表面积高比表面积等现代科学技术发展的特点，等现代科学技术发展的特点，于是呈现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药于是呈现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广闹的应用前景，同时也将推动、磁介质及新材料等方面有广闹的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。其具有的基本物理效应如下。基础研究的发展。其具有的基本物理效应如下。4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能(1)(1)表面效应表面效应 纳米材料的表面效应是纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的

32、性质上的变化子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米微粒尺寸小，表面能高，仅次于表面的原子占相当大纳米微粒尺寸小，表面能高，仅次于表面的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加，原子本位的比例，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加，原子本位不足和高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳不足和高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。定，很容易与其他原子结合。例如：金属纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气例如：金属纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。体，并与气体进行

33、反应。4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能(2)(2)量子尺寸效应量子尺寸效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应尺寸效应。由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可。由于纳米粒子细化，

34、晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光，使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级结构颗粒，米级结构颗粒，4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性。例如：纳米相铜强度比普通铜高例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；又例如：光吸收显著增加并产生吸收峰倍；又例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等。的等离子共振频移，磁有序态向无序态转变等。4

35、.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能(3)(3)纳米材料的体积效应纳米材料的体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加极小。许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。随着针对金属纳米粒子费米面附近

36、电子能级状态分布而提出的。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。(4)(4)宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 指纳米颗粒具有贯穿势垒的能力指纳米颗粒具有贯穿势垒的能力 4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能 4.3.3.2 4.3.3.2 扩散及烧结性能扩散及烧结性能 由于在纳米结构材料中有大量由于在纳米结构材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此，纳米材料的界面，这些界面为原子提供了短

37、程扩散途径，因此，纳米材料具有较高的扩散率。这种性能使一些通常在较高温度才能形成的具有较高的扩散率。这种性能使一些通常在较高温度才能形成的稳定相或介稳相，在较低温度下就可以存在。另外，也可使纳米稳定相或介稳相，在较低温度下就可以存在。另外，也可使纳米结构材料的烧结温度大大降低。结构材料的烧结温度大大降低。4.3.3.3 4.3.3.3 力学性能力学性能 与传统材料相比，纳米材料的力学性与传统材料相比，纳米材料的力学性能有显著的变化，一些材料的强度和硬度成倍地提高。例如：纳能有显著的变化，一些材料的强度和硬度成倍地提高。例如：纳米碳管的强度是钢的上百倍，而其质量仅是钢的米碳管的强度是钢的上百倍，

38、而其质量仅是钢的1/6，它不仅具，它不仅具有良好的导电性能，而且还是日前最好的导热材料。有良好的导电性能，而且还是日前最好的导热材料。4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能 4.3.3.4 4.3.3.4 光学性能光学性能 纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十几个纳米，而表现出奇异的小尺寸效应和界面效应，因此，其光几个纳米，而表现出奇异的小尺寸效应和界面效应，因此，其光学性能也与常规的块体及粗颗粒材料不同。例如，纳米金属粉末学性能也与常规的块体及粗颗粒材料不同。例如，纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材

39、料对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料。、红外线隐形材料。4.3.3.5 4.3.3.5 电学性能电学性能 介电和压电特性是材料的基本物性之一介电和压电特性是材料的基本物性之一，纳米级半导体的介电行为（介电常数，介电损耗）及压电特性，纳米级半导体的介电行为（介电常数，介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同。如纳米半导体材料的介电常同常规的半导体材料有很大的不同。如纳米半导体材料的介电常数随测量频率减少呈明显上升趋势。数随测量频率减少呈明显上升趋势。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用 4.3.4.1 4.3.4.1 绿色纳

40、米材料在环境产业中的应用绿色纳米材料在环境产业中的应用 纳米技术对空气中纳米技术对空气中20nm以及水中的以及水中的200nm污染物的降解污染物的降解是不可替代的技术。现在已制备成功了一种对是不可替代的技术。现在已制备成功了一种对CH2O、氮氧、氮氧化物、化物、CO能够降解的设备，可使空气中的有害气体大大降能够降解的设备，可使空气中的有害气体大大降低，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催低，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降

41、解效果。它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。4.3.3 4.3.3 绿色纳米材料的主要性能绿色纳米材料的主要性能 近年来，不少公司致力于光催化等纳米技术移植到水处近年来，不少公司致力于光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。研究成功。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿

42、色纳米材料的应用4.3.4.2 4.3.4.2 绿色纳米材料在绿色纳米材料在能源环保能源环保中的应用中的应用 在合理利用传统能源方面，主要是净化剂、助燃剂，它们能在合理利用传统能源方面，主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面，国外进展较快，就是把非可燃气体变

43、成在开发新能源方面，国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。等。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用4.3.4.2 4.3.4.2 绿色纳米材料在绿色纳米材料在生物医药生物医药中的应用中的应用目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，展制药业。

44、纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。改进，采用纳米技术可以提高一个档次。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用4.3.4.2 4.3.4.2 绿色纳米材料在绿色纳米材料在其它方面其它方面的应用的应用(1)(1)在医药方面的应

45、用在医药方面的应用 21世纪的健康科学，将以出人意料的速度向前发展，人世纪的健康科学，将以出人意料的速度向前发展，人们对药物的疗效越来越高。用亲脂型二元纳米协同界面包覆们对药物的疗效越来越高。用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成分将使心脑血管疾病的有效治疗不再是幻想，它将的中药成分将使心脑血管疾病的有效治疗不再是幻想，它将使中药科学走向世界。使中药科学走向世界。其他如用数字纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主其他如用数字纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织：使用纳米技术的新型动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织：使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其

46、中的蛋白质和诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。诊断出各种疾病。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用 另外，对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的另外，对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进入了大量研究，并取得了很大的成功。应用也进入了大量研究，并取得了很大的成功。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用(2)(2)在涂料方面的运用在涂料方面的运用 如果将透明，疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表如果将透明，疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或瓷砖、玻璃上，大楼就不会被空气中的油污弄脏，瓷砖面或瓷

47、砖、玻璃上，大楼就不会被空气中的油污弄脏，瓷砖和玻璃也不会沾上水蒸气而保持永远透明，这种表面涂层技和玻璃也不会沾上水蒸气而保持永远透明，这种表面涂层技术是当今世界关注的热点。上述方法是在传统的涂层技术中术是当今世界关注的热点。上述方法是在传统的涂层技术中，添加纳米材料获得了纳米复合体系涂层，实现了功能的飞，添加纳米材料获得了纳米复合体系涂层，实现了功能的飞跃。跃。其他诸如将纳米其他诸如将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果；在变色镜中添加中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果；在变色镜中添加4.3.4 4.3.4 绿色纳米材

48、料的应用绿色纳米材料的应用纳米材料，变色速度加快，可做为士兵防护激光镜；在纤维纳米材料，变色速度加快，可做为士兵防护激光镜；在纤维和衣物上使用纳米和衣物上使用纳米TiO2，仅用清水清洗，就可以就衣物洗，仅用清水清洗，就可以就衣物洗净，可以避免洗涤剂对衣物的损伤。净，可以避免洗涤剂对衣物的损伤。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用(3)(3)在精细化工方面的应用在精细化工方面的应用 在橡胶中加入纳米在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力，同时，也提高了橡胶的耐磨性和介电特性。红外反射能力，同时，也提高了橡胶的耐磨性和介

49、电特性。另外，在其它精细化工领域如塑料、涂料等，都能够发挥重另外，在其它精细化工领域如塑料、涂料等，都能够发挥重要作用。要作用。(4)(4)在纳米电子元方面的应用在纳米电子元方面的应用 如果在卫星上用纳米集成器件如果在卫星上用纳米集成器件“小鸟小鸟”卫星，可部分替卫星，可部分替代现有的卫星系统，这样会使卫星更小，更容易发射，成本代现有的卫星系统，这样会使卫星更小，更容易发射，成本也更便宜。也更便宜。4.3.4 4.3.4 绿色纳米材料的应用绿色纳米材料的应用(5)(5)在催化方面的应用在催化方面的应用 在化学化工领域，使用纳米微粒作催化剂可大大提高反在化学化工领域，使用纳米微粒作催化剂可大大提

50、高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。例如，纳米行。例如，纳米TiO2既具有较高的光催化活性，又能耐酸碱既具有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定、无毒、便宜易得，是制备负载型光催化剂的最，对光稳定、无毒、便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择佳选择 绿色纳米材料在物质世界中的应用，还包括利用纳米孔绿色纳米材料在物质世界中的应用，还包括利用纳米孔膜从根本上解决海水淡化技术；利用纳米修复材料对损坏的膜从根本上解决海水淡化技术；利用纳米修复材料对损坏的材材料进行诊断和修复；利用纳米药物无须针管注射，以免注料进行诊断和修复