纳米材料与纳米催化

纳⽶材料与纳⽶催化

1.什么是纳⽶材料? 基本构成单元内容? 判断的标准什么?

答：纳⽶材料(nanometer material)是指其结构单元的尺⼨介于1纳⽶～100纳⽶范围之间。由于它的尺⼨已经接近电⼦的相⼲长度，它的性质因为强相⼲所带来的⾃组织使得性质发⽣很⼤变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有⼤表⾯的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳⽶材料是在三维空间中⾄少有⼀维处于纳⽶尺度范围。纳⽶材料的基本结构单元分为四类：

零维：三维均为纳⽶尺度，如纳⽶颗粒、原⼦团簇等。⼀维：空间两维在纳⽶尺度，如纳⽶管、纳⽶棒等。⼆维：空间⼀维在纳⽶尺度，如超薄膜、多层膜等。三维：宏观固体，但由纳⽶基本单元构成，如纳⽶固体等。纳⽶材料的判断标准：

微粒尺⼨和晶粒尺⼨是否⼩于100nm；是否具有不同于常规材料(bulk)的性能。

2.纳⽶微粒的基本理论的内容是什么（7条）? 并简要说明量⼦尺⼨效应、⼩尺⼨效应、表⾯效应？

答：纳⽶微粒的基本理论的内容包括久保理论（电⼦能级的不连续性）、量⼦尺⼨效应、⼩尺⼨效应、表⾯效应、宏观量⼦隧道

效应、库仑堵塞与量⼦隧穿效应、介电限域效应。量⼦尺⼨效应：

当粒⼦尺⼨下降到某⼀值时，⾦属费⽶能级附近的电⼦能级由准连续变为离散能级和纳⽶半导体微粒能隙变宽现象均称为量⼦尺⼨效应。⼩尺⼨效应：

当超细微粒的尺⼨与光波波长、德布罗意波长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，晶体周期性的边界条件将被破坏；同时超细微粒的颗粒表⾯层附近原⼦密度减⼩，导致声、光、电、磁、热、⼒学等特性呈现新的⼩尺⼨效应。表⾯效应：

表⾯效应⼜称界⾯效应，是指纳⽶微粒的表⾯原⼦数与总原⼦数之⽐随粒径减⼩⽽急剧增⼤后所引起的性质上的变化。随着纳⽶微粒的粒径逐渐减⼩达到纳⽶尺⼨，除了造成表⾯积迅速增加之外，表⾯能量也会⼤幅递增。3.简要说明纳⽶微粒的化学特征有哪些？防⽌团聚的⽅法。答：纳⽶微粒的化学特征有吸附、分散和团聚。

吸附是相接触的不同相之间产⽣的结合现象。吸附可以分成两类，⼀是物理吸附，吸附剂与吸附相之间是以范德⽡⽿斯⼒之类较弱的物理⼒结合；⼆是化学吸附，吸附剂与吸附相之间是以

化学键结合。纳⽶微粒由于有⼤的⽐表⾯积和表⾯原⼦配位不⾜，与相同材质的⼤块材料⽐较，有较强的吸附性。纳⽶微粒表⾯的活性使它们很容易团聚在⼀起从⽽形成带有若⼲弱连接界⾯的尺⼨较⼤的团聚体防⽌团聚的⽅法：

加⼊反絮凝剂(Anti-flocculating agent)形成双电层

加表（界）⾯活性剂(surfactant)包裹微粒4.简要说明⽓相法制备纳⽶微粒的⽅法？

答：⽓相法主要有物理⽓相沉积(PVD)法和化学⽓相沉积(CVD)法两⼤类。

物理⽓相沉积法是利⽤电弧、⾼频电场或等离⼦体等⾼温热源将原料加热使之⽓化，然后降温冷却，将蒸汽凝聚成纳⽶微粒。化学⽓相沉积法是以⾦属蒸⽓、挥发性⾦属卤化物或氢化物、有机⾦属化合物等蒸⽓为原料，发⽣化学反应，然后经过凝聚得到纳⽶微粒。是⼀种常⽤的制备纳⽶微粒的⽅法。5.简要说明液相法制备纳⽶微粒的⽅法？

答：液相法是指在溶液中制备纳⽶微粒，是⽬前实验室和⼯业上经常采⽤的制备纳⽶粉体材料的⽅法。液相法主要的⽅法有沉淀法、⽔热法、溶胶－凝胶法等。另外，模板法、⾃组装法通常也在⽔溶液中进⾏反应，也可以归纳到液相法中。6.简要说明纳⽶微粒的表⾯修饰⽅法？

答：纳⽶微粒的表⾯修饰分为物理修饰和化学修饰。

纳⽶微粒表⾯物理修饰分为两类。⼀类通过范德⽡尔斯⼒等将异质材料吸附在纳⽶微粒的表⾯，可以防⽌纳⽶微粒的团聚。通常采⽤表⾯活性剂对⽆机纳⽶微粒表⾯的修饰就属于这类⽅法。另⼀类表⾯物理修饰法，即表⾯沉积法，它是将⼀种物质沉积到纳⽶微粒表⾯，形成与颗粒表⾯⽆化学结合的异质包敷层。

纳⽶微粒表⾯化学修饰指通过纳⽶微粒表⾯与处理剂之间进⾏化学反应，改变纳⽶微粒表⾯结构和状态，达到表⾯改性的⽬的。纳⽶微粒表⾯化学修饰有偶联剂法、酯化法、表⾯接枝改性法三种。7.纳⽶微粒尺⼨的评估⽅法有哪些？简要说明⽐表⾯积法？

答：纳⽶微粒尺⼨的评估⽅法有透射电镜观察法，X射线衍射线线宽法，⽐表⾯积法，X射线⼩⾓散射法，拉曼散射法，激光衍射法，激光散射法，沉降(sedimentation)法。⽐表⾯积法：

通过测定粉体单位重量的⽐表⾯积S w，可由下式计算纳⽶粉中粒⼦的直径(设颗粒呈球形)：d=6/ρS w

式中，ρ为密度，d 为颗粒直径；S w 为⽐表⾯积，它的⼀般测量⽅法为BET 多层⽓体吸附法。BET ⽅程为式中，V 为被吸附⽓体的体积；V m 为单分⼦层吸附⽓体的体积；p 为⽓体压⼒；p 0为饱和蒸汽压；k 为y/x.令

将上式两式相加，取倒数得到V m ，即 将A ，B 代⼊式6-5，可得到 把V m 换算成吸附质的分⼦数（V m /V 0?N A ）乘以⼀个吸附质分⼦的截⾯积A m ，即可⽤下式计算出吸附剂的表⾯积S ：8. 简要说明纳⽶薄膜的制备⽅法有哪些？

答：纳⽶薄膜的制备⽅法分为液相法和⽓相法。液相法包括溶胶-凝胶法和电沉积法两种⽅法；⽓相法包括⾼速超微粒⼦沉积法(⽓体沉积法)和直接沉积法两种⽅法。

9. 纳⽶尺度催化材料有哪些？举例说明。 答：纳⽶尺度催化材料⼀般是指纳⽶超细⾦属催化剂，如贵⾦属类()()]/11[00p p k pp p k V V m -+-?=0011)(p p k V k k V P P V p m m -+=-k V k A m 1-=kV B m 1=BA V m +=1

00)(P p A B p p V p +=-m A m A N V V S 0=

Pt，Rh，Ag，Au，Pd等，过渡⾦属类Ni，Fe，Co，Cu等，⾦属氧化物催化剂，如g-Fe2O3，TiO2，ZrO2，MgO等，以及超细分⼦筛催化剂，如nano-Y，nano-ZSM-5，nano-SAPO-11等。10.纳⽶超细分⼦筛性能特点以及应⽤？答：纳⽶超细分⼦筛性能特点：

更⼤的外表⾯积;更多暴露的晶胞;短⽽规整的孔道;更多易接近的活性位;⾻架借光更规整;更均匀分布的活性位;易于改进的活性位

纳⽶超细分⼦筛在催化裂化、加氢裂化、汽油加氢异构化、轻质烃转化制芳烃、合成⽓催化转化等⽅⾯有着⼴泛的应⽤。