第一篇：納米材料在電池中的應(yīng)用(一)要點(diǎn)

納米材料在電池中的應(yīng)用(一)

納米材料的小孔徑效應(yīng)和表面效應(yīng)與化學(xué)電源中的活性材料非常相關(guān),作為電極的活性材料納米化后,表面增大,電流密度會(huì)降低,極化減小,導(dǎo)致電容量增大,從而具有更良好的電化學(xué)活性。特別是最富特征的一維納米材料———納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破,因而開(kāi)辟了全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。堿性鋅錳電池材料 1 1 納米級(jí)γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)γ ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發(fā)現(xiàn)純度不佳,但與ＥＭＤ以最佳配比混合,可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量,也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)。若制得的納米γ ＭｎＯ2純度高時(shí),本身的放電容量即優(yōu)于ＥＭＤ。2 摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過(guò)加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2,采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻Ｂｉ ＭｎＯ2混配的方法,放電容量都有不同程度的提高,并且存在一個(gè)最佳配比。通過(guò)摻Ｂｉ在充放電過(guò)程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的Ｂｉ Ｍｎ復(fù)合物的共還原和共氧化,有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成,可極大地改善電極的可充性。3 納米級(jí)α-ＭｎＯ2 采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽(yáng)離子的納米α ＭｎＯ2,粒徑小于50ｎｍ,其電化學(xué)活性較高,放電容量比常規(guī)粒徑ＥＭＤ更大,尤其適于重負(fù)荷放電,表現(xiàn)出良好的去極化性能,具有一定的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力。4 納米級(jí)ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ,以抑制鋅負(fù)極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻,越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國(guó)已應(yīng)用于醫(yī)藥等方面。由于堿錳電池朝著無(wú)汞化發(fā)展,采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應(yīng)用的關(guān)鍵是要注意納米ＺｎＯ材料的表面改性問(wèn)題。5 納米級(jí)Ｉｎ2Ｏ3 Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無(wú)機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一,目前已開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出無(wú)汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3,該材料具有比表面積大,分散性好,緩蝕效果更佳的特點(diǎn),應(yīng)用于無(wú)汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應(yīng)用 2 1 納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2

周震等人用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2,并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2比微米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過(guò)程中極化較小,充電效率高,活性物質(zhì)利用更充分,而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ(ＯＨ)2,粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小,并且所制得的納米材料呈球型或橢球形,適用于某些對(duì)顆粒狀有特殊要求的場(chǎng)合,如作為氫氧化鎳電極的添加劑,按一定比例摻雜,可使Ｎｉ(ＯＨ)2的利用率顯著提高,尤其當(dāng)放電電流較大時(shí),利用率可提高12%。2 納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5[6],平均粒徑約20ｎｍ,采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比,具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘?更好的活化特性,但其循環(huán)壽命較短。鋰離子電池材料 1 陰極材料———納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2,放電容量為103ｍＡｈ/ｇ,充電容量為109ｍＡｈ/ｇ,長(zhǎng)平臺(tái)在3 9Ｖ處,有明顯提高放電平臺(tái)的效果,循環(huán)穩(wěn)定性也大為提高,但未見(jiàn)有混配效應(yīng)。低熱固相反應(yīng)法合成納米ＬｉＣｏＯ2,發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)ＬｉＣｏＯ2進(jìn)行混配,做成電池測(cè)試,充電容量可達(dá)132ｍＡｈ/ｇ,放電容量為125ｍＡｈ/ｇ,放電平臺(tái)在3 9Ｖ,由于納米顆粒增大了比表面積,令Ｌｉ+更易嵌入和脫出,削弱了極化現(xiàn)象,循環(huán)性能比常規(guī)ＬｉＣｏＯ2明顯提高,顯示出較好的性能。2 納米陽(yáng)極材料

中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0 34ｎｍ,略大于石墨的層間距0 335ｎｍ,這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出,它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。實(shí)驗(yàn)表明,用該材料作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等用有機(jī)物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極,比容量可達(dá)到1100ｍＡｈ/ｇ,且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)用多孔的沸石晶體作載體,首次成功研制出尺寸最小,全球最細(xì)且排列規(guī)整的0 4ｎｍ單壁納米碳管,繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15℃以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性。電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)引起了人們的濃厚興趣,特別是環(huán)保電動(dòng)汽車(chē)研究的興起,這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車(chē)啟動(dòng)、爬坡、剎車(chē)時(shí)提供大功率電源,因而可以降低電動(dòng)車(chē)輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求,大大延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命,從而提高電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性。近年來(lái)以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應(yīng)用,為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開(kāi)辟了新的途徑。清華大學(xué)用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料,再采用添加粘結(jié)劑或高溫?zé)釅旱墓に囀侄沃苽涮技{米管固體電極,通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?制得的碳納米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復(fù)合電極制備雙電層法拉第電容器,在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時(shí),電容量可達(dá)20Ｆ/ｇ左右。清華大學(xué)已經(jīng)制備出電容量達(dá)100Ｆ的實(shí)驗(yàn)室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結(jié)構(gòu)上,納米碳管是目前最理想的超級(jí)電容器材料。結(jié)束語(yǔ)

ａ 材料的先進(jìn)性必然會(huì)推動(dòng)電池的先進(jìn)性,因此納米材料技術(shù)在電化學(xué)領(lǐng)域具有十分廣闊的前景,不僅可使傳統(tǒng)的電池性能達(dá)到一個(gè)新的高度,更有望開(kāi)發(fā)出新型的電源。

ｂ 由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段,因此如何制得粒徑可控的納米顆粒,解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題,簡(jiǎn)化合成方法,降低成本,是今后實(shí)用化應(yīng)注意的問(wèn)題。

ｃ 納米材料技術(shù)在電池中應(yīng)用時(shí),應(yīng)注意相關(guān)工藝的匹配,并綜合考慮成本,如利用材料的混配效應(yīng),而不能僅僅是材料取代的簡(jiǎn)單考慮。

第二篇：淺談納米材料在電池中的應(yīng)用

淺談納米材料在電池中的應(yīng)用

[論文關(guān)鍵詞]：納米材料 電池 復(fù)合材料

[論文摘要]：納米材料的小孔徑效應(yīng)和表面效應(yīng)與化學(xué)電源中的活性材料非常相關(guān)，作為電極的活性材料納米化后，表面增大，電流密度會(huì)降低，極化減小，導(dǎo)致電容量增大，從而具有更良好的電化學(xué)活性。特別是最富特征的一維納米材料納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破，因而開(kāi)辟了全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。

一、堿性鋅錳電池材料

（一）納米級(jí)γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)γ-ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發(fā)現(xiàn)純度不佳，但與ＥＭＤ以最佳配比混合，可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量，也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)。若制得的納米γ-ＭｎＯ2純度高時(shí)，本身的放電容量即優(yōu)于ＥＭＤ。

（二）摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過(guò)加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2，采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻Ｂｉ、ＭｎＯ2混配的方法，放電容量都有不同程度的提高，并且存在一個(gè)最佳配比。通過(guò)摻Ｂｉ在充放電過(guò)程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的Ｂｉ、Ｍｎ復(fù)合物的共還原和共氧化，有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成，可極大地改善電極的可充性。

（三）納米級(jí)α-ＭｎＯ2

采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽(yáng)離子的納米αＭｎＯ2，粒徑小于50nｍ，其電化學(xué)活性較高，放電容量比常規(guī)粒徑ＥＭＤ更大，尤其適于重負(fù)荷放電，表現(xiàn)出良好的去極化性能，具有一定的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用潛力。

（四）納米級(jí)ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ，以抑制鋅負(fù)極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻，越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國(guó)已應(yīng)用于醫(yī)藥等方面。由于堿錳電池朝著無(wú)汞化發(fā)展，采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應(yīng)用的關(guān)鍵是要注意納米

ＺｎＯ材料的表面改性問(wèn)題。

（五）納米級(jí)Ｉｎ2Ｏ3

Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無(wú)機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一，目前已開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)出無(wú)汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3，該材料具有比表面積大，分散性好，緩蝕效果更佳的特點(diǎn)，應(yīng)用于無(wú)汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。

二、在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應(yīng)用

（一）納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2

有人用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2，并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2比微米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過(guò)程中極化較小，充電效率高，活性物質(zhì)利用更充分，而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ（ＯＨ）2，粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小，并且所制得的納米材料呈球型或橢球形，適用于某些對(duì)顆粒狀有特殊要求的場(chǎng)合，如作為氫氧化鎳電極的添加劑，按一定比例摻雜，可使Ｎｉ（ＯＨ）2的利用率顯著提高，尤其當(dāng)放電電流較大時(shí)，利用率可提高12%。

（二）納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5，平均粒徑約20ｎｍ，采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比，具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘?，更好的活化特性，但其循環(huán)壽命較短。

三、鋰離子電池材料

（一）陰極材料納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2，放電容量為103ｍＡｈ/ｇ，充電容量為109ｍＡｈ/ｇ，長(zhǎng)平臺(tái)在39Ｖ處，有明顯提高放電平臺(tái)的效果，循環(huán)穩(wěn)定性也大為提高，但未見(jiàn)有混配效應(yīng)。低熱固相反應(yīng)法合成納米ＬｉＣｏＯ2，發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)ＬｉＣｏＯ2進(jìn)行混配，做成電池測(cè)試，充電容量可達(dá)132ｍＡｈ/ｇ，放電容量為125ｍＡｈ/ｇ，放電平臺(tái)在39Ｖ，由于納米顆粒增大了比表面積，令Ｌｉ+更易嵌入和脫出，削弱了極化現(xiàn)象，循環(huán)性能比常規(guī)ＬｉＣｏＯ2明顯提高，顯示出較好的性能。

（二）納米陽(yáng)極材料

中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0.34ｎｍ，略大于石墨的層間距0.335ｎｍ，這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出，它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入，而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。實(shí)驗(yàn)表明，用該材料作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等用有機(jī)物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極，比容量可達(dá)到1100ｍＡｈ/ｇ，且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)用多孔的沸石晶體作載體，首次成功研制出尺寸最小，全球最細(xì)且排列規(guī)整的0.4nｍ單壁納米碳管，繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15℃以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性。

四、電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)引起了人們的濃厚興趣，特別是環(huán)保電動(dòng)汽車(chē)研究的興起，這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車(chē)啟動(dòng)、爬坡、剎車(chē)時(shí)提供大功率電源，因而可以降低電動(dòng)車(chē)輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命，從而提高電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)用性。近年來(lái)以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應(yīng)用，為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開(kāi)辟了新的途徑。清華大學(xué)用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料，再采用添加粘結(jié)劑或高溫?zé)釅旱墓に囀侄沃苽涮技{米管固體電極，通過(guò)適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚频玫奶技{米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復(fù)合電極制備雙電層法拉第電容器，在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時(shí)，電容量可達(dá)20Ｆ/ｇ左右。清華大學(xué)已經(jīng)制備出電容量達(dá)100Ｆ的實(shí)驗(yàn)室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結(jié)構(gòu)上，納米碳管是目前最理想的超級(jí)電容器材料。

五、結(jié)束語(yǔ)

首先，材料的先進(jìn)性必然會(huì)推動(dòng)電池的先進(jìn)性，因此納米材料技術(shù)在電化學(xué)領(lǐng)域具有十分廣闊的前景，不僅可使傳統(tǒng)的電池性能達(dá)到一個(gè)新的高度，更有望開(kāi)發(fā)出新型的電源。其次，由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過(guò)程中的團(tuán)聚問(wèn)題，簡(jiǎn)化合成方法，降低成本，是今后實(shí)用化應(yīng)注意的問(wèn)題。再次，納米材料技術(shù)在電池中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意相關(guān)工藝的匹配，并綜合考慮成本，如利用材料的混配效應(yīng)，而不能僅僅是材料取代的簡(jiǎn)單考慮。

第三篇：碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應(yīng)用和性能研究

碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應(yīng)用和性能研究

作 者：**

（電子工程學(xué)院、集成電路0701）

指導(dǎo)教師：**(西安郵電學(xué)院、講師)摘要：

染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是新一代的光電池，有著極大的應(yīng)用前景。本文在查閱大量DSSC相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝、絲網(wǎng)印刷和電泳沉積等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)制備出碳基薄膜對(duì)電極的染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池。另外，做出了工作總結(jié)并展望染料敏化電池的發(fā)展。具體的內(nèi)容如下：

1、采用Protel軟件設(shè)計(jì)出染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)，繪制出光繪片；

2、利用半導(dǎo)體工藝中的勻膠、曝光、顯影和刻蝕等技術(shù)，在ITO玻璃上制備出染料敏化太陽(yáng)能電池的電極；

3、采用超生波分散技術(shù)制備出TiO2漿料，并利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷TiO2漿料，經(jīng)燒結(jié)后形成染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極。

4、采用電泳沉積技術(shù)在光陰極玻璃電極上電鍍碳基薄膜，采用金相顯微鏡對(duì)TiO2膜和碳薄膜進(jìn)行表征。

5、采用熱封膜對(duì)電池組件進(jìn)行封裝，并利用微量進(jìn)樣器注入電解液。

6、在太陽(yáng)能模擬光源的條件下，用萬(wàn)用表進(jìn)行電池測(cè)試。

7、分析表征圖像和測(cè)試數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池，納米TiO2薄膜，染料敏化，碳對(duì)電極

Author: Chen Xin(Electronic Engineering,IC design and intergration system,grade 2007,class 01)

Faculty adviser:Shang Shi-guang Xi’an University of Post and Telecommunications,lectuer

Abstract Dye-sensitized Solar Cells(DSSC)are the next generation solar cells with great application prospect.In this paper, based on the relative reference of dye-sensitized solar cells, the structure and working principle of dye-sensitized solar cell are described.The design and preparation of dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells with carbon-based films were completed by conventional semiconductor process, screen printing and electrophoretic deposition technology.In addition, a summary of the work and the development prospect of dye sensitized solar cells were proposed.The main contents are as following:

1.Designing the basic structure of dye-sensitized solar cell by the software protel 99 SE, and gerbering drawn film.2.Preparing the electrodes a dye-sensitized photovoltaic solar cell on ITO glasses by semiconductor technologies, such as spin coating, exposure, development and etching.3.The use of ultrasonic wave dispersion TiO2 slurry prepared and printed by screen printing technique TiO2 film formed by sintering the photoelectric dye-sensitized solar pole.4.Plating carbon film on the photocathode glass by electrophoretic deposition technology, and characterizing TiO2 film and carbon film by optical microscope.5.Using sealing flim to package the solar cell and injecting the electrolyte solution by micro-injector.6.Testing the solar cells with multimeter under simulated solar light condition.7.Analyzing images and test data.Keywords:Solar Cells, Nano TiO2 film, Dye-sensitization, Carbon counter electrode 1 染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized Solar Cells，DSSC電池)是一種電化學(xué)太陽(yáng)電池,但與常規(guī)的電化學(xué)太陽(yáng)電池相比,在半導(dǎo)體電極與染料上有很大的改 進(jìn)。

1.1 DSSC 電池結(jié)構(gòu)

DSSC電池具有類(lèi)似三明治的結(jié)構(gòu)(如圖1-l所示)，主要由導(dǎo)電膜、導(dǎo)電玻璃、納米晶半導(dǎo)體多孔膜(如TiO2，ZnO，Nb2O5，SnO2等一些列寬禁帶半導(dǎo)體材料)、染料光敏化劑、電解質(zhì)(I-/I3-)和對(duì)電極（也叫反電極或光陰極）等組成。導(dǎo)電玻璃厚度一般為3mm，表面上鍍有一層0.5~0.7μm厚的摻F的SnO2膜或氧化銦錫(ITO)膜[1]。

圖1-1：染料敏化太陽(yáng)能電池的組成結(jié)構(gòu)[2]

1.2 DSSC 電池工作原理

光敏染料分子吸收太陽(yáng)光躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的染料向半導(dǎo)體的導(dǎo)帶內(nèi)注入電子借以實(shí)現(xiàn)電荷分離，是光電化學(xué)電池的基本原理。最具代表性的染料敏化太陽(yáng)能電池是Grazel電池，工作原理如圖1-2所示。在該類(lèi)裝置中，納米TiO2不僅作為光敏染料的支持劑，而且作為電子的受體和導(dǎo)體。TiO2是一種寬禁帶的n 型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.2eV，而且只能吸收波長(zhǎng)小于375nm的紫外光，可見(jiàn)光卻不能將它激發(fā)，需要對(duì)它進(jìn)行一定的敏化處理，即在TiO2表面吸附染料光敏劑，這樣在可見(jiàn)光的作用下染料分子吸收太陽(yáng)光能，使躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會(huì)很快地進(jìn)入較低能級(jí)的TiO2導(dǎo)帶，從而有效地產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

圖1-2：染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理圖[1]

光電轉(zhuǎn)換機(jī)理[3]：(1)太陽(yáng)光照射到電池上，基態(tài)染料分子(S)吸收太陽(yáng)光能量被激發(fā)，染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)(S*)；(2)激發(fā)態(tài)的電子快速注入到TiO2導(dǎo)帶中；(3)電子在TiO2 膜中迅速傳輸，在導(dǎo)電基片上富集，并通過(guò)外電路流向?qū)﹄姌O；(4)在對(duì)電極附近，電解質(zhì)溶液得到電子而還原；(5)處于氧化態(tài)的染料分子(S+)與電解質(zhì)(I-/I3-)溶液中的電子供體(I-)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而回到基態(tài)，染料分子得以再生。碳基薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池的制備工藝

2.1 掩模光繪片設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用Protel99SE軟件進(jìn)行掩膜板的繪制，制成的光繪片如圖2-1所示：

圖2-1(a)總體圖形

圖2-1(b)：實(shí)物光繪片（左圖為光陽(yáng)極，右圖為對(duì)電極）2.2 光陽(yáng)極制備（1）光陽(yáng)極電極制備

利用繪制好的光繪片，采用微電子工藝在ITO導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行涂膠、光刻、刻蝕，制備出 DSSC 電池的圖形化的導(dǎo)電基底。

制備步驟為：a.利用玻璃切割機(jī)切割出尺寸為20mm?25mm 長(zhǎng)方形玻璃；b.采用KW-5型號(hào)勻膠機(jī)涂膠，轉(zhuǎn)速Ⅰ700轉(zhuǎn)/分鐘（時(shí)間18s），轉(zhuǎn)速Ⅱ2500轉(zhuǎn)/分鐘（時(shí)間25s），前烘時(shí)間12~15min；c.采用型號(hào)為 JKG-2A光刻機(jī)曝光，曝光時(shí)間22s，顯影45s，定影30s，堅(jiān)膜時(shí)間為45min，溫度為140℃；d.配制35ml HCL：H2O：HNO3=4：2：1（HCl濃度36.5%~37.5%，HNO3濃度70%）的混合溶液，在45℃ 水浴中去除ITO，再用NaOH溶液去除多余的膠。（2）光陽(yáng)極TiO2 膜制備

本實(shí)驗(yàn)用溶膠-凝膠法制納米二氧化鈦，再用絲網(wǎng)印刷法印刷出TiO2薄膜。印刷完成后，在室溫干燥10min，在50℃下處理15 min，再以20-50℃/ min 的速率升溫至250℃燒結(jié)，恒溫2h。（3）染料敏化TiO2 膜

本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)染料DHS-N719。

染料敏化液的配制：0.2-0.3 M的乙腈與叔丁醇（試劑如圖3-16）進(jìn)行體積比為1:1的配置(乙腈與叔丁醇各10mL)作為溶劑，或者用乙醇溶液將作為溶劑。然后將7.2mg染料固體溶解在20mL溶劑中，等溶液均勻即可。

將已經(jīng)做好TiO2薄膜的玻璃放入容器中，加入染料敏化液，密封、避光，浸泡12h-24h 后取出，取出后用酒精溶液沖洗一下多余的染料浮液。2.3 光陰極制備（1）光陰極電極制備

光陰極電極的制備工藝與光陽(yáng)極的是相同的，只是在曝光的時(shí)候用的是陰極的光繪片。當(dāng)陰極圖形刻蝕完成后，在進(jìn)行碳薄膜制備前要在有電極的上邊緣打一個(gè)小孔，以便于注入電解液。（2）光陰極碳基薄膜制備

傳統(tǒng)的碳納米管薄膜加工方法包括[4]：化學(xué)氣相沉積(CVD)、絲網(wǎng)印刷、吸附、燒結(jié)、電泳等。CVD方法的加工過(guò)程需要高真空、高溫，對(duì)生長(zhǎng)碳納米管的基底有很高的要求，并且引入了不易去除的金屬催化劑；絲網(wǎng)印刷方法引入了有機(jī)添加劑，薄膜厚度、均勻度不易控制，且碳納米管和基底的結(jié)合只依靠有機(jī)質(zhì)粘接和碳納米管基底之間的范德華力，難以保證其電學(xué)和力學(xué)性能；而吸附、燒結(jié)等方法對(duì)基底和碳納米管有較高的處理要求，引入了部分難以去除的雜質(zhì)，且大都很難與現(xiàn)有的微電子工藝相兼容。目前，電泳的方法被應(yīng)用于碳材料的成膜。電泳（electropho-resis）是指在直流電場(chǎng)中，帶電粒子向帶符號(hào)相反的電極 移動(dòng)的現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)用了兩種成膜方法來(lái)制備碳基薄膜： a.絲網(wǎng)印刷碳納米管

跟印刷TiO2的方法是一樣的，只需將TiO2換成碳納米管，再選擇對(duì)電極的圖形印刷就可以了。

b.電泳技術(shù)制備

所需器材：恒溫磁力攪拌器，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，導(dǎo)線若干，碳棒一根（不銹鋼材料也可以），100mL燒杯一個(gè)（用做電泳槽）

溶液配制：碳黑1g，硝酸鎂0.8g，異丙醇60mL，將三者混合配成溶液。用磁力攪拌器攪拌23小時(shí)。

電鍍：加直流電壓10V~30V，碳棒接陽(yáng)極，圖形化的對(duì)電極ITO玻璃接陰極。當(dāng)電源接通后，在加10V電壓的條件下，電流顯示為0.06A（每片玻璃在不同電壓下顯示的電流均不一樣，都小于0.1A），并且遞減為0A，電泳時(shí)間為3分鐘，此時(shí)，說(shuō)明電鍍已經(jīng)完成，因?yàn)殄兡げ粚?dǎo)電。也可加大電壓來(lái)控制電泳的速度和膜的厚度。這需要多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

經(jīng)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，陽(yáng)極與陰極距離2.5cm 時(shí)，薄膜比較均勻，效果比較好。電鍍完成后再燒結(jié)，調(diào)節(jié)溫度300℃，恒溫2.5h。燒結(jié)后的薄膜顏色呈暗灰色。封裝與測(cè)試

3.1 電池的封裝

本實(shí)驗(yàn)用熱封膜將兩電極封裝。

所需器材：熱封臺(tái)、小刀、微量進(jìn)樣器、直尺。

所需試劑：熱封膜（Surlyn?1702）、電解液（DHS-E23）。（1）用封裝膜封裝

電鍍的碳薄膜比一般絲網(wǎng)印刷的要厚，所以電鍍的碳薄膜要采用兩層膜進(jìn)行封裝，絲網(wǎng)印刷的碳納米管薄膜用一層膜封裝。

封裝步驟：a.先用紙做出一個(gè)能很好地套合TiO2膜和碳薄膜的封裝膜模型，再按照模型用小刀與直尺兩工具進(jìn)行膜的裁剪，得到完好的封裝膜。b.將印有TiO2的ITO玻璃平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，把封裝膜對(duì)齊到ITO玻璃上，再將對(duì)電極導(dǎo)電面扣在上面（可以用小夾子來(lái)固定），用熱封臺(tái)加熱玻璃電極使熱封膜發(fā)揮作用，大約5分鐘即可。（2）注入電解液

用10μL的微量進(jìn)樣器（如圖3-1）吸取1μL的DHS-E23電解液，將針頭對(duì)準(zhǔn)對(duì)電極上的小孔，輕微的在小孔里滴入一滴電解液，通過(guò)電池內(nèi)外壓強(qiáng)差和毛 細(xì)現(xiàn)象將之灌入。再用熱封裝薄膜以及載玻片在烙鐵或者熱封臺(tái)的加熱下將小孔熱封。注入電解液過(guò)程如圖3-2所示，成品電池如圖3-3所示。

圖3-1：微量進(jìn)樣器 圖3-2：電解質(zhì)注入

圖3-3：封裝好的電池

3.2 碳薄膜表征與分析

本實(shí)驗(yàn)用金相顯微鏡觀測(cè)膜表面特征。電腦型金相顯微鏡系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡與計(jì)算機(jī)（數(shù)碼相機(jī)）通過(guò)光電轉(zhuǎn)換有機(jī)的結(jié)合在一起，放大倍數(shù)可以達(dá)到上千倍，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，還能在計(jì)算機(jī)（數(shù)碼相機(jī)）顯示屏幕上觀察實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像。（1）電泳法制備的碳薄膜表征

a.電泳液沒(méi)有用磁力攪拌器攪拌

圖3-4：電泳碳薄膜表征圖（1）

b.電泳液用磁力攪拌器攪拌24小時(shí)。

圖3-5：電泳碳薄膜表征圖（2）

圖分析結(jié)果：由圖3-4和3-5對(duì)比可以看出，經(jīng)磁力攪拌器攪拌的電泳液粒子分散的更均勻，電鍍的碳薄膜也會(huì)比較好。(2)絲網(wǎng)印刷的碳薄膜表征

圖3-6：絲網(wǎng)印刷碳薄膜表征

圖3-6中的碳薄膜是在250℃條件下恒溫烘焙2h，冷卻后在金相顯微鏡下觀測(cè)到的圖形。圖3-6與圖3-5相比較，碳薄膜不夠致密。采用電泳的方法沉積的碳薄膜,與絲網(wǎng)印刷法制得的陰極相比分布更為均勻,且厚度更容易控制。3.3 電池的測(cè)試與分析(1)電池的測(cè)試

將封裝好的電池拿到室外陽(yáng)光較好的地方，先用萬(wàn)用表測(cè)試。陰極和陽(yáng)極電極分別接萬(wàn)用表的兩根線，萬(wàn)用表打到伏安檔。測(cè)得結(jié)果如下：a.電鍍碳薄膜電池的正向開(kāi)路電壓為0.065V；b.碳納米管薄膜電池的正向開(kāi)路電壓為0.038V。測(cè)試過(guò)程如圖3-7所示（本實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)一步在太陽(yáng)模擬器下進(jìn)行，如圖3-8）。

圖3-7：室外萬(wàn)用表測(cè)試電池

圖3-8：室內(nèi)太陽(yáng)能模擬器下測(cè)試電池

（2）結(jié)果分析

a.測(cè)得的數(shù)據(jù)比預(yù)期的小一個(gè)數(shù)量級(jí)

對(duì)于這一點(diǎn)分析可能有以下原因：①工藝制備中電極基底的刻蝕中導(dǎo)電膜可能有損傷，使導(dǎo)電性能有所下降；②用熱封膜封裝的時(shí)候，碳薄膜和TiO2膜疊 加后膜比較厚，而采用的封裝膜厚度不夠，導(dǎo)致兩電極間空隙減少；③注入的電解液較少，導(dǎo)致光照下電解質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的能力下降。

由②也可以導(dǎo)致③。

b.電鍍的碳薄膜電池比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜電池的性能好

通過(guò)對(duì)兩種碳薄膜電池進(jìn)行測(cè)量可以看出，電鍍的碳薄膜電池的開(kāi)路電壓、短路電流均比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜電池的要高。導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可以從以下幾點(diǎn)分析：①用電泳技術(shù)電鍍的碳薄膜比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜分散的均勻；②薄膜有效導(dǎo)電面積會(huì)影響短路電流；③開(kāi)路電壓受到電解質(zhì)氧化還原電位與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的影響，本電池中電解質(zhì)含量比較低，然而前者電壓大于后者主要是半導(dǎo)體膜的不同導(dǎo)致的?？偨Y(jié)

電泳方法是利用直流電場(chǎng)使懸浮溶液中的帶電離子包裹住粒子在電性相反的電極板上沉積一層均勻的薄膜。我們發(fā)現(xiàn)采用電泳的方法沉積的碳薄膜，與絲網(wǎng)印刷法制得的陰極相比分布更為均勻，且厚度更容易控制。由于本實(shí)驗(yàn)配制電泳液時(shí)使用了碳黑，而絲網(wǎng)印刷的是碳納米管，且碳納米管具有較小的曲率半徑，較大的長(zhǎng)徑比，極高電導(dǎo)率，卓越的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此，可以考慮用電泳法沉積碳納米管薄膜，這樣既可以提高電泳碳薄膜電池的性能，也使電泳法與絲網(wǎng)印刷技術(shù)更具對(duì)比性。

電池的性能也受陽(yáng)極TiO2膜的影響，可以考慮印刷兩層膜，即先印刷一層TiO2+CNT薄膜，并在烘箱中將其烘培1h，溫度定為140℃；烘干后繼續(xù)印刷一層TiO2膜，再將實(shí)驗(yàn)品放入烘箱中烘培2h。這是由于一維納米材料碳納米管不但可大大縮短電子傳輸距離，還可以抑制電子復(fù)合，使電子傳輸效率提高。用印刷兩層膜的方法也可能會(huì)提高電池的性能。

參考文獻(xiàn)

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染料敏化納米晶太陽(yáng)能電池的研究進(jìn)展[J] 廣州化工 2010年38卷第10期

[2] 染料敏化太陽(yáng)能電池技術(shù)概述[J] 技術(shù)論壇

[3] 于男，趙娟

染料敏化太陽(yáng)能電池的研究[J] 實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)第7卷 第5期

[4] 吳嘉浩，劉萍

鎳/碳納米管復(fù)合薄膜的制備及其性能的研究微細(xì)加工技術(shù)[J] 2008年4月第2期

第四篇：納米材料的制備及應(yīng)用要點(diǎn)

本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

題目： 納米材料的制備及應(yīng)用

學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院

班級(jí)： XX級(jí)XX班

姓名： XXX

指導(dǎo)教師： XXX 職稱：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

納米材料的制備及應(yīng)用

摘要:近幾年來(lái)，由于納米材料有眾多特殊性質(zhì)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注納米材料?？萍嫉难该桶l(fā)展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術(shù)在將來(lái)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米材料 物理方法

化學(xué)方法應(yīng)用前景

目 錄

引言..................................................................................................................1 1.納米材料的物理制備方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸發(fā)—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸發(fā)—冷凝法........................................................................4 1.3.3.電子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等離子體法.................................................................................5 1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法.........................................................................5 1.4.濺射法..................................................................................................6 2.納米材料的化學(xué)制備方法.................................................................................7 2.1化學(xué)沉淀法............................................................................................8 2.2化學(xué)氣相沉積法...................................................................................8 2.3化學(xué)氣相冷凝法....................................................................................10 2.4溶膠--凝膠法.......................................................................................10 2.5水熱法.................................................................................................11 3.納米材料的其他制備方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2靜電紡絲法..........................................................................................13 4.納米材料的應(yīng)用前景.....................................................................................14 5.總結(jié).............................................................................................................14 參考文獻(xiàn)..........................................................................................................15 致謝................................................................................................................16

引言

納米材料是指任一維空間尺度處于1—100nm之間的材料。它有著不同尋常的性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)可引起物理性質(zhì)的突變，從而具有獨(dú)特的性能；量子尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)使其具有了一般大顆粒物不具備的性質(zhì)，如對(duì)紅外線、紫外線有很強(qiáng)的反射作用，應(yīng)用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫(yī)學(xué)方面都有非常重要的價(jià)值[1]。多年以來(lái)，通過(guò)科學(xué)家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。納米材料將逐漸進(jìn)入人們的日常生活，并將成為未來(lái)新工業(yè)革命的必備材料。

1.納米材料的物理制備方法 1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒[2]。此方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。

圖1.機(jī)械粉碎法儀器圖

1.2球磨法

球磨法是將材料放入球磨機(jī)內(nèi)，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)過(guò)程中，鋼球與原料之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，再經(jīng)過(guò)攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡(jiǎn)單，效率高，能獲得常規(guī)方法不易得到的高熔點(diǎn)合金，如金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來(lái)不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質(zhì)，有次得到的納米微粒純度不高。

圖2.球磨法示意圖

1.3.蒸發(fā)—冷凝法

蒸發(fā)-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發(fā)、電弧高頻反應(yīng)等方法使原料生成等離子體，再在介質(zhì)中冷卻凝結(jié)行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法

光加熱蒸發(fā)法：用激光作為加熱源，氣相反應(yīng)物可在吸收傳遞能量之后快速凝結(jié)成核、長(zhǎng)大、終止[3]。用該方法可以達(dá)到減少雜質(zhì)的目的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產(chǎn)效率低，成本高，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。

圖3.激光加熱蒸發(fā)法制備納米顆粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4.激光加熱法制成的TiO2顆粒

1.3.2.真空蒸發(fā)—冷凝法

真空 蒸發(fā)—冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對(duì)物質(zhì)進(jìn)行真空加熱，使其蒸發(fā)形成原子霧，原子霧遇冷凝結(jié)形成納米顆粒[4]。這種在高溫下獲得的納米微粒很?。尚∮?0nm），在制備過(guò)程中無(wú)其它雜質(zhì)污染，反應(yīng)快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單

一、熔點(diǎn)低的物質(zhì)。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)的納米微粒時(shí)還存在很大局限性。而且此方法對(duì)設(shè)備要求高、成本也比較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

圖5.真空蒸發(fā)—冷凝法制備納米顆粒示意圖

1.3.3.電子束照射法

電子束照射法：原材料（一般指金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬—氧鍵斷裂，金屬原子蒸發(fā)后遇冷凝結(jié)成核、長(zhǎng)大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來(lái)制備金屬納米粉末。

圖6.電子束照射法制備納米微粒裝置圖

1.3.4.等離子體法

等離子體法：原材料在惰性或反應(yīng)性氛圍中，通過(guò)直流放電來(lái)使氣體電離，從而熔融、蒸發(fā)、冷凝得到納米微粒[5]。用此種方法制得的產(chǎn)品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)納米微粒的制備。但此方法離子槍短、功率低。

圖7.等離子體法制備納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法

高頻感應(yīng)加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內(nèi)的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發(fā)，原子蒸發(fā)后與惰性氣體碰撞凝結(jié)行成納米微粒[6]。此方法僅限于制備低熔點(diǎn)的物質(zhì)，并不適合于沸點(diǎn)高的金屬盒難熔化物質(zhì)，且成本加高，一般不采用。

圖8.高頻感應(yīng)加熱法制備納米納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.4.濺射法

濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽(yáng)極，兩極之間充入Ar氣，壓強(qiáng)在40—250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發(fā)出來(lái)沉積到基片上，形成納米顆粒[7]。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結(jié)合力強(qiáng)、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。但產(chǎn)品分布不均勻，產(chǎn)量較低。

圖9.濺射法制備納米微粒原理圖

2.納米材料的化學(xué)制備方法

納米材料的化學(xué)制備方即通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，從原子、離子、分子出發(fā)，制備納米微粒。常用的化學(xué)制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學(xué)合成法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。

2.1化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應(yīng)生成難溶物或水和氧化物，再經(jīng)過(guò)慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學(xué)沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其中，均勻沉淀法是預(yù)沉淀劑在溶液中緩慢反應(yīng)釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應(yīng)形成沉淀

[8]；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進(jìn)行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學(xué)合成納米微粒應(yīng)用最多的方法之一，其中關(guān)鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團(tuán)聚。這種方法在冷凍干燥過(guò)程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團(tuán)聚現(xiàn)象[9]。沉淀法制備納米微粒時(shí)成品的影響因素比較多，如過(guò)濾過(guò)程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會(huì)影響納米微粒的大小；此種方法操作簡(jiǎn)單，但很容易引入新的雜質(zhì)，影響產(chǎn)品的純度。2.2化學(xué)氣相沉積法.化學(xué)氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同[10]。普通的化學(xué)氣相沉積法得到的納米微粒易團(tuán)聚燒結(jié)，而且比較粗，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發(fā)生?；瘜W(xué)氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學(xué)活性高，而且成本低、生產(chǎn)效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學(xué)氣相沉積法由于制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，方便操作，適于大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)應(yīng)用前景較好。化學(xué)氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復(fù)合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術(shù)逐步完善，化學(xué)氣相沉積法將會(huì)由更廣泛的應(yīng)用[11]。

圖10.化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11.化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的原理圖

圖12.化學(xué)氣相沉積法獲得的各種形態(tài)固體示意圖

2.3化學(xué)氣相冷凝法

化學(xué)氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強(qiáng)在10Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應(yīng)，在經(jīng)過(guò)冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡(jiǎn)稱CVC法，目前已經(jīng)成功應(yīng)用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料[12]。2.4溶膠--凝膠法 溶膠--凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應(yīng)，溶質(zhì)發(fā)生水解生成納米級(jí)的微粒并形成溶膠，溶膠經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z(該法在低溫下反應(yīng)，允許摻雜大量的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物)，再經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應(yīng)有聚合反應(yīng)、水解反應(yīng)[13]。目前，溶膠--凝膠法一般又分為兩種：膠體化學(xué)法和金屬醇鹽水解法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，在低溫環(huán)境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來(lái)獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠－凝膠法制備的 10

納米材料有多孔狀結(jié)構(gòu)，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應(yīng)用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態(tài)納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收縮、開(kāi)裂，所以使用范圍不廣。

圖13.溶膠--凝膠法制備納米材料的流程圖

2.5水熱法

水熱法是指在封閉的反應(yīng)容器中，將水溶液作反應(yīng)體系，對(duì)水溶液加熱增大體系壓強(qiáng)來(lái)制備無(wú)機(jī)材料，再經(jīng)過(guò)分離、熱處理得到納米微粒；離子反應(yīng)和水解反應(yīng)在水熱條件下可得到加速、促進(jìn)，常溫下反應(yīng)很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下就可以快速反應(yīng)；在高壓下，大部分反應(yīng)物能部分溶于水中，使得反應(yīng)在液相或氣相中進(jìn)行[14]。

水熱法可以控制微粒的形態(tài)、結(jié)晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無(wú)團(tuán)聚或少團(tuán)聚。這一特點(diǎn)大幅度提高了粉體的燒結(jié)性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產(chǎn)；并且，水熱法的反應(yīng)溫度低，活性高，為大規(guī)模的生產(chǎn)納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫 11

條件有利于合成熔點(diǎn)較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規(guī)則的晶體材料，而且合成產(chǎn)物的純度較高。水熱法缺點(diǎn)是一般只能制備氧化物納米粉體，對(duì)晶核的形成過(guò)程以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過(guò)程中有高溫、高壓步驟，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法

納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過(guò)小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時(shí)控制分子束，對(duì)襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長(zhǎng)在基片上形成薄膜[15]。

圖14.分子束外延法原理圖

分子束外延法生長(zhǎng)溫度低，能減少不希望的熱激活過(guò)程，生長(zhǎng)速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長(zhǎng)表面可達(dá)到原子級(jí)光滑度，可制備極薄的薄膜；生長(zhǎng)的薄膜可以保持原來(lái)靶材料的化學(xué)計(jì)量比；把分析測(cè)試設(shè)備與生長(zhǎng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的原位監(jiān)測(cè)[16]。分子束外延法也有不足的地方，如對(duì)真空要求非常高，分子束外延設(shè)備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是在高壓電場(chǎng)作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當(dāng)電場(chǎng)力達(dá)到一定程度時(shí)，聚合物液滴在電場(chǎng)力作用下克服表面張力形成噴射流[17]。噴射時(shí)，射流中的溶液發(fā)生蒸發(fā)或自身發(fā)生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。

圖15.所示為靜電紡絲原理圖

靜電紡絲法制備納米材料優(yōu)點(diǎn)很多，如裝置簡(jiǎn)單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術(shù)的發(fā)展使靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的生產(chǎn)納米纖維的新型制備技術(shù)，將會(huì)在生物、醫(yī)用、催化、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。4.納米材料的應(yīng)用前景

納米材料有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質(zhì)。納米材料的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。采用納米技術(shù)制造的納米結(jié)構(gòu)微處理器在微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬(wàn)倍；納米存儲(chǔ)器的密度比普通存儲(chǔ)器的要高1000倍；而納米技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數(shù)十倍。在環(huán)境與能源方面，納米材料可提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，還可以用來(lái)消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質(zhì)（油污、細(xì)菌）在光的照射下，通過(guò)Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質(zhì)。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質(zhì)。納米材料在減少環(huán)境污染、凈化環(huán)境上有廣闊的應(yīng)用前景。在生物學(xué)工程與醫(yī)學(xué)方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場(chǎng)作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用[18]。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實(shí)現(xiàn)免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)快速診斷。用納米材料制成的機(jī)器人，用來(lái)人體進(jìn)行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動(dòng)脈脂肪沉積物。5.總結(jié)

納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。納米材料的制備方法和技術(shù)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更加成熟，將對(duì)人們的生活和人類(lèi)生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都開(kāi)始廣泛應(yīng)用納米材料。這必將會(huì)不斷出現(xiàn)更新更好的制備方法，希望在將來(lái)以下幾個(gè)方面可取得突破。

(1)在結(jié)構(gòu)、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領(lǐng)域發(fā)展需要，具有更多預(yù)期功能的納米材料；

(2)從節(jié)能、節(jié)約材料、提高效率等角度出發(fā)，研制出更多的新設(shè)備，以便制備出更多的新型納米材料；

(3)設(shè)計(jì)出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎(chǔ)上，提高納米材料的功能。

參考文獻(xiàn)

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致謝

本論文在XXX的悉心指導(dǎo)下完成的，她淵博的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受益非淺。在此謹(jǐn)向XXX老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。感謝我的學(xué)友和朋友對(duì)我的關(guān)心和幫助。

The preparation of nanomaterials and their application prospects

Abstract：Nanomaterials are attracting great intense in recent years，for its special properties.With the rapid develope of science and technology , the preparation of nanomaterials has become more skilled.In this paper we mainly introduce the preparation of nanomaterials,including physical and chemical methods,and prospect of nanotechnology in 21st.Keywords: nanomaterials physical method chemical method application prospect

第五篇：納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景要點(diǎn)

納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

摘要：文章總結(jié)了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應(yīng)用領(lǐng)域，并簡(jiǎn)單展望了納米科技在未來(lái)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應(yīng)用 0 引言

自從1984年德國(guó)科學(xué)家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來(lái)，納米材料的制備、性能和應(yīng)用等各方面的研究取得了重大進(jìn)展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發(fā)展到了合金、化合物、金屬無(wú)機(jī)載體、金屬 有機(jī)載體和化合物無(wú)機(jī)載體、化合物有機(jī)載體等復(fù)合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域日新月異。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態(tài)的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最成熟，是制備其他納米材料的基礎(chǔ)。納米粉體可用于：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進(jìn)的電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導(dǎo)線、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料、新型激光或發(fā)光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜?？捎糜跉怏w催化材料、過(guò)濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導(dǎo)材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強(qiáng)度材料、智能金屬材料等。納米復(fù)合材料包括納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0 復(fù)合)、納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)、納米微粒與薄膜復(fù)合(0-2 復(fù)合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復(fù)合(2-2 復(fù)合)等。納米復(fù)合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的綜合性能，可應(yīng)用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。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)筑或營(yíng)造的一種新體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國(guó)于20世紀(jì)80年代末開(kāi)始進(jìn)行納米材料的研究，近年來(lái)，在納米材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，取得了重大的進(jìn)展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應(yīng)的設(shè)備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合等許多方面有所創(chuàng)新。成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)納米類(lèi)鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過(guò)金屬Gd；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應(yīng)等。納米材料制備技術(shù)現(xiàn)狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關(guān)于納米材料的制備方法方面的文獻(xiàn)較多，各種制備方法的工藝過(guò)程、特點(diǎn)及適用范圍在相關(guān)的文獻(xiàn)中均有較詳細(xì)的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學(xué)和熱學(xué)性能

納米材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因而與常規(guī)材料相比，在力學(xué)和熱學(xué)上表現(xiàn)出一些奇異的特性。實(shí)驗(yàn)表明，粒徑達(dá)8nm的鐵的強(qiáng)度為常規(guī)材料的數(shù)倍，其硬度是常規(guī)材料的近千倍。長(zhǎng)期以來(lái)，為解決陶瓷在常溫下的易碎問(wèn)題不斷尋找陶瓷增韌技術(shù)，如今納米陶瓷的出現(xiàn)輕而易舉地解決了這個(gè)難題。實(shí)驗(yàn)證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規(guī)TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達(dá)100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經(jīng)反復(fù)鍛壓，其形變高達(dá)300%。

目前各種發(fā)動(dòng)機(jī)采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優(yōu)異的高強(qiáng)陶瓷取代金屬，這也是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。而納米陶瓷的出現(xiàn)為人們打開(kāi)了希望之門(mén)。納米陶瓷的超高強(qiáng)度，優(yōu)異的韌塑性使其取代金屬用來(lái)制作機(jī)械構(gòu)件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學(xué)活性大，因而其燒結(jié)溫度和熔點(diǎn)都有不同程度的下降。常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結(jié)。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結(jié)一些高熔點(diǎn)材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫?zé)Y(jié)，流動(dòng)性大，燒結(jié)收縮大的特性，可以作為燒結(jié)過(guò)程的活性劑，起到加速燒結(jié)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。有人曾作過(guò)實(shí)驗(yàn)，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復(fù)相材料由于不同相的熔點(diǎn)及相變溫度不同而燒結(jié)困難，但納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使各相熔點(diǎn)降低，各相轉(zhuǎn)變溫度也會(huì)降低。在低溫下就能燒結(jié)成性能良好的復(fù)相材料。納米固體低溫?zé)Y(jié)特性還被廣泛用于電子線路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀和輕燒結(jié)體可制成多種用途的器件，廣泛應(yīng)用于各種過(guò)濾器、活性電極材料、化學(xué)成分探測(cè)器和熱變換器，例如備受人們關(guān)注的汽車(chē)尾氣凈化器。有報(bào)道說(shuō)，以色列科學(xué)家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達(dá)94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學(xué)特性

納米粒子的一個(gè)明顯特征是尺寸小。當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)、甚至更小時(shí)，其量子尺寸效應(yīng)將十分顯著，使得納米材料呈現(xiàn)出與眾不同的光學(xué)特性。

納米材料對(duì)可見(jiàn)光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來(lái)說(shuō)，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實(shí)驗(yàn)證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對(duì)可見(jiàn)光的低反射率、高吸收率導(dǎo)致粒子變黑。由于體積效應(yīng)，能級(jí)間距的增大和納米的量子限域效應(yīng)，納米粒子對(duì)光的吸收還表現(xiàn)出藍(lán)移現(xiàn)象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過(guò)濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發(fā)射出的有害紫外線。將其應(yīng)用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線、抗電磁波和抗可見(jiàn)光的特性，可用來(lái)制做宇航服。

2.3 納米材料的化學(xué)活性、敏感性

化學(xué)催化劑是一種不斷接受熱源使化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個(gè)方面:一是提高反應(yīng)速度和效率，縮短反應(yīng)時(shí)間；二是改善反應(yīng)的條件，如降低反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)、真空度等；三是在決定反應(yīng)的路徑方面，使化學(xué)反應(yīng)按預(yù)計(jì)的方向進(jìn)行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質(zhì)量催化劑表面能同時(shí)接納盡可能多的反應(yīng)物，納米微粒的表面積效應(yīng)恰好符合了這一點(diǎn)。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺(tái)階，此外原子表面懸鍵多，反應(yīng)活性大。這些都有利于加速化學(xué)反應(yīng)，提高催化劑的反應(yīng)活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現(xiàn)出令人驚異的化學(xué)選擇性。這在有機(jī)化學(xué)工業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景，可用來(lái)提高原料的利用率，降低生產(chǎn)成本。如在環(huán)辛二烯加氫生成環(huán)辛烯的反應(yīng)中，常規(guī)的Ni催化劑選擇性僅為24，而采用粒徑為30nm的Ni時(shí)選擇性提高到210，是原來(lái)的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強(qiáng)等特性，導(dǎo)致納米微粒對(duì)周?chē)h(huán)境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強(qiáng)的微小變化都會(huì)引起其表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子遷移的變化。這正滿足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應(yīng)速度快以及檢測(cè)范圍廣的要求。目前科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)多種納米材料對(duì)一些特定的物質(zhì)具有敏感反應(yīng)。

2.4 納米材料的電學(xué)、磁學(xué)效應(yīng)

超順磁性是納米微粒的一大磁學(xué)特性。當(dāng)納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)，其磁化率就不再服從經(jīng)典的居里一外斯定律而進(jìn)入超順磁狀態(tài)?？茖W(xué)家認(rèn)為納米微粒出現(xiàn)超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可比擬時(shí)，磁化方向就不在固定的一個(gè)異磁方向。異磁方向作無(wú)規(guī)律的變化，這就導(dǎo)致了超順磁化的出現(xiàn)。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強(qiáng)磁性微顆粒包一層長(zhǎng)鏈有機(jī)分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng)性，在工業(yè)廢液處理方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

納米微粒進(jìn)入臨界尺寸呈現(xiàn)出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時(shí)，卻表現(xiàn)出高的矯頑力。另外，當(dāng)納米粒子的尺寸小到一定值時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，實(shí)際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來(lái)磁記錄材料的發(fā)展趨勢(shì)。磁記錄材料發(fā)展的總趨勢(shì)是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬(wàn)條以上，這就要求每條信息記錄在幾個(gè)平方微米內(nèi)，只有納米的尺寸才能達(dá)到這一點(diǎn)。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩(wěn)定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優(yōu)點(diǎn)。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應(yīng)用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)研究領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時(shí)也促進(jìn)了納米材料應(yīng)用的越來(lái)越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產(chǎn)

材料科學(xué)領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng))使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過(guò)程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時(shí)燒結(jié)，而當(dāng)摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復(fù)合材料的燒結(jié)由于不同材料的熔點(diǎn)和相變溫度各不相同，所以把它們燒結(jié)成復(fù)合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使其熔點(diǎn)降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進(jìn)行固相反應(yīng)，得到燒結(jié)性能好的復(fù)合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點(diǎn)低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強(qiáng)、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應(yīng)，這些都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，并將會(huì)對(duì)高技術(shù)和新材料的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要作用。

3.2生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用

從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“納米車(chē)間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級(jí)的結(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過(guò)程已成為啟發(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級(jí)控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開(kāi)發(fā)和人類(lèi)遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測(cè)和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。另一類(lèi)是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。

3.3納米生物計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)

生物計(jì)算機(jī)的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10倍以至幾萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能、自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機(jī)制等。世界上第一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)是由美國(guó)于1994年11月首次研制成功的。

科學(xué)家們預(yù)言，實(shí)用的生物分子計(jì)算機(jī)將于今后幾年問(wèn)世，它將對(duì)未來(lái)世界產(chǎn)生重大影響。制造這類(lèi)計(jì)算機(jī)離不開(kāi)納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類(lèi)更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時(shí)人類(lèi)的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。

目前納米科學(xué)技術(shù)正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動(dòng)，并引起關(guān)心未來(lái)發(fā)展的全世界科學(xué)家的思索。人們正注視著納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進(jìn)展，這一領(lǐng)域前景十分誘人。它與其它學(xué)科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學(xué)科或?qū)W科群，其有關(guān)發(fā)展將對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防實(shí)力、科技發(fā)展乃至整個(gè)社會(huì)文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影響。

3.4新的國(guó)防科技革命

納米技術(shù)將對(duì)國(guó)防軍事領(lǐng)域帶來(lái)革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場(chǎng)上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對(duì)化學(xué)、生物、核武器的納米探測(cè)系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場(chǎng)更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使得電子的能級(jí)分裂，分裂的能級(jí)間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場(chǎng)的輻照下，運(yùn)動(dòng)加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對(duì)電磁波的吸收性能。美國(guó)研制的“超黑粉”納米吸波材料對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國(guó)最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國(guó)外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見(jiàn)光等波段的納米復(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮?、輕、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用都將大有作為。

3.5其他領(lǐng)域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微電子學(xué)等其他領(lǐng)域也有著逐漸廣泛的應(yīng)用，納米材料在這些領(lǐng)域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。納米材料的應(yīng)用前景展望

在未來(lái)的幾十年中，納米技術(shù)將逐步滲透到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，并在很大程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活觀念。納米技術(shù)將影響的幾個(gè)領(lǐng)域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術(shù)。由于人口的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂?8 個(gè)

國(guó)家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術(shù)，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及納米技術(shù)的發(fā)展為這一技術(shù)提供了一種可能的發(fā)展方向。

(2)照明系統(tǒng)。在照明中用于制造發(fā)光二極管的半導(dǎo)體將逐漸在納米尺寸范圍內(nèi)制作，在納米尺度上制作的發(fā)光二極管的效率現(xiàn)在已經(jīng)可以與可見(jiàn)光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發(fā)熱特性，將很快在展覽、汽車(chē)照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應(yīng)用。

(3)醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域。納米技術(shù)將使適用于制藥的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對(duì)腫瘤部位進(jìn)行治療，因?yàn)楦蟮牧Ｗ訜o(wú)法穿過(guò)腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進(jìn)入腫瘤內(nèi)部；納米技術(shù)將使癌癥在僅有少量癌細(xì)胞出現(xiàn)的早期即被檢出。

(4)微電子和計(jì)算機(jī)。納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率將提高100萬(wàn)倍，并實(shí)現(xiàn)兆兆比特的存儲(chǔ)器，研制量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)。

(5)環(huán)境和能源。利用納米技術(shù)發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，還可以開(kāi)發(fā)出無(wú)以計(jì)數(shù)的新型材料，21世紀(jì)的納米材料必將在微電子、信息、能源、環(huán)保、通訊、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活等領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大的作用，從而促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)

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