納米材料及應用技術

第1章 緒論1

1.1 納米科學技術的問世1

1.2 納米科學技術引發(fā)的產業(yè)革命3

1.2.1 信息產業(yè)3

1.2.2 生物醫(yī)藥技術4

1.2.3 納米材料使傳統(tǒng)產業(yè)升級換代5

1.3 納米科學技術的國際態(tài)勢6

1.4 我國納米科學技術的發(fā)展11

參考文獻12

第2章 納米材料的結構與性能14

2.1 納米材料的特性及分類14

2.1.1 納米材料的特性14

2.1.2 納米材料的分類16

2.2 納米微粒17

2.2.1 納米微粒的結構與形貌17

2.2.2 納米微粒的物理特性17

2.3 納米碳材料30

2.3.1 C6030

2.3.2 納米洋蔥狀富勒烯32

2.3.3 納米碳管33

2.4 納米晶體材料46

2.4.1 納米晶體材料的結構47

2.4.2 納米晶體材料的性能56

2.5 納米復合材料62

2.5.1 納米復合材料的分類62

2.5.2 納米復合材料的性能64

參考文獻70

第3章 納米材料測試分析技術78

3.1 電子顯微分析78

3.1.1 透射電子顯微分析(TEM)78

3.1.2 掃描電子顯微分析(SEM)102

3.1.3 X射線能譜儀(EDS)和波譜儀(WDS)107

3.1.4 電子能量損失譜(EELS)112

3.2 掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)117

3.2.1 掃描隧道顯微鏡117

3.2.2 原子力顯微鏡120

3.3 X射線衍射分析(XRD)122

3.3.1 X射線衍射原理123

3.3.2 X射線衍射分析方法(XRD)123

3.3.3 樣品制備124

3.3.4 X射線衍射分析（XRD）在納米材料研究中的應用124

3.4 光譜分析129

3.4.1 核磁共振譜129

3.4.2 紅外（IR) 、激光拉曼光譜134

3.4.3 紫外（UV) 、可見（VIS）光譜分析139

3.4.4 穆斯堡爾譜分析143

3.4.5 原子光譜分析146

3.4.6 分子熒光光譜分析156

3.4.7 擴展X射線吸收精細結構譜分析158

3.5 能譜分析161

3.5.1 俄歇電子能譜分析（AES) 161

3.5.2 X射線光電子能譜分析(XPS)166

3.5.3 紫外光電子能譜分析(UPS)172

3.6 粒度分析173

3.6.1 粒度分析法173

3.6.2 粒度分析的樣品制備174

3.6.3 粒度分析在納米材料中的應用175

參考文獻179

第4章 納米材料的設計與計算181

4.1 新材料設計概述181

4.1.1 計算機模擬的發(fā)展181

4.1.2 納米材料的分子模擬183

4.2 納米材料設計與計算的原理與方法186

4.2.1 第一性原理方法186

4.2.2 分子力學方法188

4.2.3 分子動力學方法189

4.2.4 分子蒙特卡洛方法(Monte Carlo method,簡稱MC)190

4.2.5 實驗數據的解析與模擬190

4.3 納米材料微觀結構、性能與分子模擬191

4.3.1 X射線衍射線形精煉方法及結構分析191

4.3.2 納米結構的計算機模擬195

4.3.3 擴展X射線吸收精細結構(EXAFS)203

4.3.4 分子光譜的模擬204

4.4 電子結構和性質205

4.4.1 C60與納米碳管理論分析207

4.4.2 納米碳管的性質208

4.4.3 納米洋蔥狀富勒烯（Nano Onion-like Fullerenes, NOLFs) 213

4.4.4 表面與界面的理論研究216

4.4.5 能帶-光子晶體217

參考文獻220

第5章 納米材料的制備技術223

5.1 由過飽和蒸氣制備納米團簇和納米顆粒223

5.1.1 團簇生成技術223

5.1.2 團簇組裝材料227

5.1.3 幻數227

5.1.4 濺射法、熱蒸發(fā)和激光法制備納米顆粒228

5.2 納米顆粒的化學合成法235

5.2.1 溶液中的成核與長大236

5.2.2 細微顆粒穩(wěn)定與抗聚集長大236

5.2.3 納米顆粒237

5.3 半導體納米團簇的合成243

5.3.1 表征方法及合成中的問題243

5.3.2 膠體/膠束/氣泡245

5.3.3 聚合物246

5.3.4 玻璃247

5.3.5 晶型主體和沸石主體247

5.3.6 單一尺寸團簇248

5.4 機械研磨法制備納米結構250

5.4.1 高能球磨和機械研磨251

5.4.2 納米結構形成的現(xiàn)象學252

5.4.3 晶粒尺寸減小的機理257

5.5 人工多層材料258

5.5.1 微觀結構259

5.5.2 加工260

5.6 納米碳管的制備264

5.6.1 納米碳管的特性264

5.6.2 納米碳管的合成265

5.6.3 定向納米碳管的制備270

參考文獻290

第6章 納米材料的加工291

6.1 溶膠-凝膠法加工納米材料291

6.1.1 引言291

6.1.2 氧化物的制備292

6.1.3 凝膠形成的無粉加工295

6.1.4 凝膠制備中的干燥與脫水297

6.1.5 固化凝膠：燒結298

6.1.6 加工納米結構材料的基體299

6.1.7 納米材料溶膠-凝膠加工前景展望301

6.2 納米晶材料的成形與燒結302

6.2.1 引言302

6.2.2 納米晶顆粒的干法成形302

6.2.3 納米晶顆粒的濕法成形304

6.2.4 無壓燒結過程中的理想致密化304

6.2.5 無壓燒結過程中的非理想致密化309

6.2.6 無壓燒結過程中的晶粒生長311

6.2.7 無壓燒結過程中孔對晶界的釘扎作用313

6.2.8 無壓燒結過程中晶粒生長的極小化和致密化的極大化314

6.2.9 加壓燒結和燒結鍛壓315

6.2.10 其他燒結方法簡介318

6.2.11 結語320

參考文獻320

第7章 納米材料的應用321

7.1 納米材料在結構件領域的應用321

7.1.1 納米復合材料321

7.1.2 納米材料在機械工程中的應用324

7.1.3 納米材料在汽車工業(yè)中的應用327

7.1.4 納米碳管與金剛石328

7.2 納米材料和納米技術在電子器件方面的應用331

7.2.1 納米磁性材料331

7.2.2 納米光功能材料338

7.2.3 納米技術在電子器件方面的應用355

7.2.4 碳材料在電子器件方面的應用373

7.3 納米材料在化學化工領域中的應用375

7.3.1 納米材料作為催化劑375

7.3.2 作為增強、增韌和抗腐用的納米塑料376

7.3.3 在材料表面防腐及功能化中的應用385

7.3.4 納米材料在環(huán)保領域中的應用392

7.3.5 納米碳管的化學修飾402

7.4 納米材料在生物醫(yī)藥和健康衛(wèi)生等領域的應用404

7.4.1 常用的生物材料及其特點404

7.4.2 納米藥物載體405

7.4.3 應用實例417

7.4.4 納米技術在生物材料中的應用434

7.4.5 碳納米材料在醫(yī)學上的應用435

7.5 納米材料在紡織品中的應用436

7.5.1 抗紫外線型化纖437

7.5.2 反射紅外線（含抗紅外線）型化纖438

7.5.3 抗菌、抑菌和除臭型化纖439

7.5.4 導電型化纖超細粉體材料442

7.5.5 功能化纖材料442

7.6 納米材料在其他領域的應用443

7.6.1 納米技術在體育方面的應用443

7.6.2 納米技術在農業(yè)中的應用443

7.6.3 納米技術在能源領域中的應用444

7.6.4 納米功能材料在航空航天領域的應用446

7.6.5 碳納米材料在其他方面的應用449

參考文獻450 2100433B

《納米材料及應用技術》從原子、分子層次設計與計算機模擬計算電子、原子、晶體結構、表征設備與技術、性能表征、制備技術到應用領域對納米材料進行了較詳細的論述。

本書依據作者研究團隊以及國內外電催化納米材料的研究進展，系統(tǒng)介紹了鉑基和非鉑基氧還原催化劑納米材料、碳基非貴金屬氧還原催化劑納米材料、質子交換膜氫氧燃料電池陽極催化劑納米材料、直接醇類燃料電池陽極電催化納米材料、鋰-空氣電池碳基催化劑納米材料、鋰-空氣電池正極催化劑納米材料、環(huán)境電催化納米材料、光電解水電催化納米材料、生物燃料電池電催化納米材料、微生物制備納米材料的電子傳遞機制及其應用、有機分子合成電催化納米材料、CO2還原電催化納米材料、水電催化納米材料。

第1章緒論1

1.1納米科技與納米材料1

1.2納米材料與能源、環(huán)境的關系2

1.3納米材料簡介3

1.3.1納米材料特性3

1.3.2納米材料分類7

1.3.3納米材料的表征7

1.4納米半導體材料的特殊性質21

1.4.1光學性質21

1.4.2光催化特性22

1.4.3光電轉換特性22

1.4.4電學特性22

1.4.5表面活性與敏感特性23

第2章氧化鋅納米材料的制備25

2.1氧化鋅的結構和基本性質25

2.2氧化鋅納米材料的制備28

2.2.1水熱合成法28

2.2.2電化學生長法30

2.2.3化學氣相沉積法31

2.2.4溶膠-凝膠法34

2.2.5沉淀法35

2.2.6磁控濺射36

2.2.7分子束外延37

2.2.8原子層沉積39

第3章表面活性劑輔助電化學沉積制備多孔ZnO薄膜41

3.1表面活性劑的作用及分類41

3.1.1表面活性劑的作用41

3.1.2表面活性劑的分類42

3.2利用表面活性劑調控納米材料的形貌43

3.2.1表面活性劑在納米材料合成中的作用44

3.2.2表面活性劑聚集體在輔助納米材料合成中的作用機理45

3.3表面活性劑在納米氧化鋅合成與制備中的作用49

3.3.1表面活性劑的特性49

3.3.2離子型表面活性劑輔助合成納米氧化鋅50

3.3.3非離子型表面活性劑輔助合成納米氧化鋅52

3.3.4表面活性劑對納米氧化鋅的性能的影響53

3.4電化學沉積法55

3.4.1電化學沉積的基本理論及影響因素55

3.4.2電沉積 ZnO 薄膜的體系58

3.5表面活性劑輔助電化學制備ZnO薄膜59

3.5.1實驗方案60

3.5.2電化學沉積ZnO薄膜的原理及特點61

3.6SDS參與的電沉積ZnO薄膜62

3.6.1循環(huán)伏安(CV)曲線62

3.6.2薄膜的晶體結構分析64

3.6.3沉積電壓對薄膜表面形貌的影響64

3.6.4溶液中Zn2 濃度對薄膜表面形貌的影響65

3.6.5SDS含量對薄膜表面形貌的影響65

3.6.6ZnO薄膜表面元素含量67

3.6.7光學性能表征70

3.7CTAB參與的電沉積ZnO薄膜71

3.7.1循環(huán)伏安(CV)圖71

3.7.2XRD分析71

3.7.3不同CTAB含量的薄膜SEM圖72

3.7.4不同沉積電壓對薄膜形貌的影響72

3.7.5ZnO薄膜表面元素含量73

3.7.6ZnO薄膜光學性能表征75

3.8機理分析76

3.9本章小結77

第4章溶膠-凝膠法制備納米ZnO多孔薄膜79

4.1溶膠-凝膠法79

4.1.1溶膠-凝膠技術的發(fā)展過程79

4.1.2溶膠-凝膠技術的特點80

4.1.3溶膠-凝膠技術的實現(xiàn)途徑81

4.1.4溶膠-凝膠法的工藝過程85

4.1.5溶膠-凝膠法的影響因素88

4.1.6溶膠-凝膠法在材料合成中的應用89

4.1.7溶膠-凝膠法制備薄膜的方法93

4.2無機鹽絡合溶膠-凝膠法制備介孔ZnO薄膜96

4.2.1無機鹽絡合物溶膠-凝膠法96

4.2.2試驗方案99

4.2.3凝膠的紅外光譜分析101

4.2.4干凝膠的DTA-TG分析102

4.2.5制備條件和參數對薄膜的影響103

4.2.6ZnO薄膜的光學性能109

4.2.7ZnO薄膜的比表面積和孔分布111

4.3PEG輔助的溶膠-凝膠法制備多孔ZnO薄膜114

4.3.1模板組裝化學114

4.3.2實驗方案117

4.3.3聚乙二醇的結構特性118

4.3.4Zn(AC)2-PriOH-DEA-PEG系膠體的性質119

4.3.5多孔結構形成過程的影響因素122

4.3.6性能表征125

4.4本章小結129

第5章表面活性劑輔助直接沉淀法制備ZnO納米結構材料130

5.1沉淀法130

5.1.1沉淀法的基本原理及特點130

5.1.2沉淀法制備粉體反應中單體顆粒的核化與生長131

5.1.3沉淀法在制備氧化鋅材料中的應用132

5.2直接沉淀法制備ZnO納米材料133

5.2.1實驗方案133

5.2.2實驗方法134

5.3直接沉淀法制備ZnO納米材料134

5.3.1物相及形貌分析134

5.3.2形成機理分析135

5.4PVA輔助的直接沉淀法制備ZnO納米材料136

5.4.1物相及形貌分析136

5.4.2PVA作用機理分析138

5.5CTAB輔助直接沉淀法制備ZnO納米材料138

5.5.1物相及形貌分析138

5.5.2CTAB作用機理分析138

5.6制得不同形貌的納米氧化鋅的原因分析140

5.7紫外-可見光吸收光譜140

5.8本章小結141

第6章金屬離子摻雜納米ZnO的表征及發(fā)光性能142

6.1半導體氧化鋅的發(fā)光理論142

6.1.1半導體中的能帶142

6.1.2與發(fā)光有關的缺陷143

6.1.3摻雜半導體理論144

6.1.4載流子的復合147

6.2常用發(fā)光表征方法149

6.2.1光致發(fā)光譜149

6.2.2拉曼光譜151

6.3ZnO的光學性質153

6.3.1激子復合發(fā)光155

6.3.2帶間躍遷發(fā)光156

6.3.3雜質或缺陷能級躍遷發(fā)光156

6.4實驗方案156

6.5絡合物結構分析157

6.6干凝膠的熱分析158

6.7物相組成及形貌分析158

6.8紅外光譜分析162

6.9金屬離子摻雜納米ZnO的光學性能163

6.9.1紫外-可見-近紅外吸收光譜163

6.9.2金屬離子摻雜納米ZnO的PL圖譜165

6.10本章小結167

第7章氧化鋅納米材料的應用168

7.1氧化鋅納米材料在能源中的應用168

7.1.1氧化鋅的室溫光致發(fā)光168

7.1.2氧化鋅在新型光伏電池中的應用170

7.1.3氧化鋅在透明導電薄膜中的應用178

7.1.4氧化鋅的壓電效應179

7.2氧化鋅納米材料在環(huán)境中的應用180

參考文獻184

《納米材料概論》結合國內外近年來納米材料的研究進展編寫而成。《納米材料概論》的主要特點是引用了大量實例，說明納米材料的制備、表征、性能、應用?！都{米材料概論》可作為大專院校有關材料類、化學類、物理類專業(yè)及其他相關專業(yè)的本科生及研究生的教學用書，也可供從事該領域研究的科研人員使用。