纳米材料与技术作业1.纳米材料按维度划分，可分为几类？(1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。
(2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。
(3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。
(4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。
(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？(1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料；(2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。
特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。
尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。
利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。
此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。
(3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。
3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？(1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。
空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。
4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产生这些优良特性的原因？(1)物理特性：纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数，表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应以及宏观隧道效应导致纳米材料的热、磁、光、敏感性和表面稳定性不同于一般的例子；(2)化学特性：纳米微粒由于具有较大的比表面和表面原子配位不足与相同材质的大块材料相比具有较强的化学吸附能力(吸附剂与吸附相以化学键强结合)。
5. 零维纳米颗粒材料的合成方法有哪些？这些合成方法的优势？(1)气相法：化学气相反应法（气相分解、气相合成、气-固反应），物理气相法（气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法）(2)液相法：沉淀法（共沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法），水热法，溶胶-凝胶法，冷冻干燥法，喷雾法(3)固相法：粉碎法（干式粉碎、湿式粉碎），热分解法，固相反应法；优势：纯度高、表面洁净、粒径均匀、不易团聚、形貌结构稳定、原材料成本和能耗低、环境污染小等；6.请详细说明磁控水溅射制备零维纳米材料颗粒材料的具体过程，并说明磁控溅射法的优势是什么？(1)磁控溅射是真空溅射的一种，在真空室中利用加磁场的方式，利用磁控管的原理，将等离子体中的原来分散的电子约束在特定的轨道内运转，延长其运动路线，强化局部电离，提高工作气体的电离率，导致靶材表面局部强化的溅射效果；(2)能量较低的二次元电子在靠近靶的封闭等离子体中做循环运动，路程足够长，每个电子使原子电离的机会增加，而且只有在电子能量耗尽以后才能脱离靶表面落在阳极上，这是基片升温低，损伤小的原因，也是气体离子化率大大提高的原因，总之，磁控溅射具有高速、低温、低损伤等优点。
7.原级纳米颗粒发生团聚后会出现几种聚合体？各自形成的方式是什么？(1)凝聚体：指以面相接的原级粒子，其比表面积比单个组成的粒子小得多。
(2)附聚体：指以点、角相接的原级粒子团簇或小颗粒在大颗粒上的附着。
其总表面积比凝聚体大，但小于单个粒子的总和；(3)絮凝：指由于体系表面积的增加，表面能增大，为了降低表面能而生成更加松散的结构；(4)软团聚：以角—角相接的粒子；(5)硬团聚：以面—面相接的粒子；8.胶体是什么？请详细利用带电胶粒稳定性的理论、空间位阻稳定理论、静电位阻稳定理论来解释胶体粒子稳定的原因？(1)只要分散系能够稳定存在，而且分散质粒子半径数量级在1nm—100nm的都叫胶体；(2)DLVO理论：在胶体之间既存在引力势能，又存在斥力势能，胶体的稳定或聚沉取决于两者的相对大小，加入电解质对吸引势能影响不大，但对斥力势能的影响却十分显著；(3)空间位阻稳定理论：通过添加高分子聚合物，聚合物分子聚合物分子的锚固基团吸附在固体颗粒表面，其溶剂化链在介质中充分伸展，形成位阻层，充当稳定部分，阻碍颗粒的碰撞聚集和重力沉降；(4)静电位阻稳定理论：静电位阻稳定，是固体颗粒表面吸附了一层带电较强的聚合物分子层，带电的聚合物分子层既通过本身所带电荷排斥周围粒子，又用位阻效应防止布朗运动的颗粒靠近，产生复合稳定作用；9.提高胶体粒子在液相中分散系与稳定性的三个途径？详细说明原因？(1)改变分散相及分散介质的性质；(2)调节电介质及定位离子浓度；(3)选用吸附力强的聚合物和聚合物亲和力大的分散介质；(4)详细原因同8；10.详细说明水热合成法制备零维纳米材料的过程，并说明方法的优势？(1)水热合成反应釜是在一定温度、压力条件下采用水溶液作为反应体系，利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制溶液的温度差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体;(2)①明显降低反应温度(100℃一250℃)；②能够以单一步骤完成产物的合成与晶化(不需要高温热处理)、流程简单；③能够很好地控制产物的理想配比；④制备单一相材料；⑤可以使用便宜的原材料，成本相对较低；⑥容易得到好取向，更完整的晶体；⑦在成长的晶体中，比其他方法能更均匀地进行掺杂；⑧能调节晶体生长的环境;11.碳纳米管的结构？其中碳原子以何种方式进行排列？碳纳米管有哪些结构？(1)碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成，管身有六边形的碳环微结构单元组成，端帽部分由五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边形锥形多壁结构；(2)扶手椅形纳米管、锯齿形纳米管、手性纳米管；12.什么是手性？什么是SP2轨道杂化？(1)手性指一个物体与其镜像不重合；(2)1个s轨道和2个p轨道组合成3个sp2杂化轨道；13.如何利用化学气相沉积（CVD）法生长一维半导体纳米材料？金催化剂在这个过程中的作用？(1) 化学气相沉积法是通过化学燃料气体的化学反应在模板孔道内沉积形成纳米管，纳米线或者纳米粒子，温度经常控制在500—1000度；(2)再利用CVD法制备一维半导体纳米材料的实验中，根据金颗粒的大小来控制纳米线的直径分布等；14.碳纳米管有哪些制备方法？比较这些制备方法的优缺点？(1)石墨电弧法：有简单快速的特点，制得的碳纳米管直，结晶度高，但是缺陷较多；(2)激光蒸发法：利用此法可以使碳纳米管端部层与层的边缘碳原子可以成键，从而避免端部封口，但是此法成本高，难以推广；(3)催化裂解法：在600—1000度的温度及催化剂作用下使含碳气体原料分解，附着在催化剂微粒标下形成碳纳米管，使用的金属多为第八族，可以加入少量的Cu，Mg等调节金属能态，改变其化学吸附，与分解含碳气体的能力；(4)化学气相沉积法：制备条件可控，易批量生产；(5)模板法：所用膜容易制备，合成方法简单，能合成管径很小的结构；制备的材料孔径相同，具有单分散的结构；容易从模板分离；(6)水热法：工艺简单，制得的碳纳米管管径小，分布窄，纯度和收率都高，大大降低了制备的反应温度；(7)凝聚相电解生成法：可以通过改变电解的工艺条件控制碳纳米材料的形式；15.纯化碳纳米管有哪些方法？比较这些方法的优缺点？(1). 空气氧化法：样品损失率高；(2). 液相氧化法:这种方法大大降低了样品的损失率（最终产物占初始产物的30-50%），但是该方法提纯后的样品仍含有较大量的催化剂粒子（1%）;(3). 插层氧化法：此法是去除石墨粒子的一种有效方法，但对于催化剂粒子则无能为力，且引进了新的杂质；(4). 溴化一氧化提纯法:可以得到相当于原来重量10%—20%的产物；(5). 硝酸氧化法:可以大批量地进行单层纳米碳管的分离。
实验研究发现，使用该硝酸氧化法每天可以提纯出克量级的单层纳米碳管，可以极大地满足对纯化了的单层纳米碳管进行深入研究的需要;(6).红外线辐射氧化法:可以得到体积松散，海绵状，具有高定向性的多层纳米碳管；(7).水热氧化法:最终单层纳米碳管的纯度(质量分数)可达到95％。
实验发现，利用水热氧化这种提纯方法，每1g的烟灰至少可以得到2Orng的单层纳米碳管;(8)空间排斥色谱法:不破坏纳米碳管的前提下进行提纯和长度选择的方法，但此法提纯物的纯度不够高;(9)电泳纯化法:由于纳米碳管存在电的各向异性这一特征，因此当在两个铝电极间加入大小为2．2×10 V·m 交变电场时，在电场的作用下，纳米碳管将由原位移动到阴极附近，并沿着电场的方向进行有规律的定向排列;(10)离心和微过滤法—离心法：在超声振荡（使粘附在纳米碳管上的杂质粒子脱落下来）下过滤，经循环实验可提供一种大量非破坏性提纯纳米碳管和纳米粒子的方法，同时通过控制凝絮，为纳米碳管的尺寸选择提供了前景。
两次循环实验后，纳米碳管的纯度仅为90%，表明其纯度不很高；(11)离心和微过滤法—微过滤法：该方法仅适用于纯度较高的样品，且提纯物收率不高。
改进的气相氧化法：本小组将由流动催化剂法制备的直径为3-20nm碳管与溴水反应形成溴的石墨插层化合物，然后在流动空气下加热到800K，并在此温度下恒温20min，将氧化后的产物用浓盐酸浸泡以除去催化剂粒子；16.碳纳米管的表面修饰有哪些方法？(1)机械修饰：运用粉碎、摩擦、球磨、超声等手段对碳纳米管表面进行激活以改变其表面物理化学结构；(2)化学修饰：利用化学手段处理碳纳米管获得某些官能团,改变其表面性质以符合某些特定的要求；(3)外膜修饰：在碳纳米管表面均匀包覆一层其它物质的膜,使其表面性质发生变化；(4)高能表面修饰：利用高能量电晕放电、紫外线、等离子射线和微波技术等对碳纳米管进行表面修饰；17.碳纳米管有哪些物理、化学、力学、热学特性？为何碳纳米管有这些优良的特性？(1)碳碳共价键是自然界中最稳定的化学键，所以碳纳米管具有良好的可弯曲性，不仅可以完成很小的角度，当弯曲应力去除后，碳纳米管通常能够从很大的弯曲变形中恢复原来的状态；单壁的碳纳米管具有金属性和半导体性两种特性；由于碳纳米管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，可以合成高各项异性的材料；(2)碳纳米管良好的特性取决于其物理结构的特殊性，详见11；18.石墨烯的结构？石墨烯中碳原子以何种方式进行排列？石墨烯有哪些结构？(1)石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料；(2)石墨烯根据边缘碳链的不同可以分为锯齿型和扶手椅型；19.石墨烯有哪些制备方法？比较这些制备方法的优缺点？(1)机械剥离法：最简单的方法，对实验室要求简单，并且容易获得高质量的石墨烯，但是制备的石墨烯薄片尺寸不易控制，重复性差，产率低，而且难以规模化生产；(2)氧化石墨还原法：产量高，应用广泛，但由于强酸的氧化性对石墨进行氧化处理，引入许多晶格缺陷，容易导致物理、化学性能的损失；(3)化学气相沉积法：可制备出面积较大的石墨烯片，但由于现阶段工艺不成熟及较高的成本限制了规模应用；(4)外延生长发：可以大规模制备，但是需要高温条件，难以控制石墨烯的附生形态和吸附能量；20.同15，略；21.石墨烯的表面修饰有哪些方法？(1)等离子体对石墨烯的表面修饰：第一类作用，等离子体与样品接触时，高能离子流轰击薄膜的表面，由于撞击位置和冲击方向的不确定性，薄膜表面本身的平整性和有序性受到破坏。