纳米材料及应用技术

第1章 绪论1

1.1 纳米科学技术的问世1

1.2 纳米科学技术引发的产业革命3

1.2.1 信息产业3

1.2.2 生物医药技术4

1.2.3 纳米材料使传统产业升级换代5

1.3 纳米科学技术的国际态势6

1.4 我国纳米科学技术的发展11

参考文献12

第2章 纳米材料的结构与性能14

2.1 纳米材料的特性及分类14

2.1.1 纳米材料的特性14

2.1.2 纳米材料的分类16

2.2 纳米微粒17

2.2.1 纳米微粒的结构与形貌17

2.2.2 纳米微粒的物理特性17

2.3 纳米碳材料30

2.3.1 C6030

2.3.2 纳米洋葱状富勒烯32

2.3.3 纳米碳管33

2.4 纳米晶体材料46

2.4.1 纳米晶体材料的结构47

2.4.2 纳米晶体材料的性能56

2.5 纳米复合材料62

2.5.1 纳米复合材料的分类62

2.5.2 纳米复合材料的性能64

参考文献70

第3章 纳米材料测试分析技术78

3.1 电子显微分析78

3.1.1 透射电子显微分析(TEM)78

3.1.2 扫描电子显微分析(SEM)102

3.1.3 X射线能谱仪(EDS)和波谱仪(WDS)107

3.1.4 电子能量损失谱(EELS)112

3.2 扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)117

3.2.1 扫描隧道显微镜117

3.2.2 原子力显微镜120

3.3 X射线衍射分析(XRD)122

3.3.1 X射线衍射原理123

3.3.2 X射线衍射分析方法(XRD)123

3.3.3 样品制备124

3.3.4 X射线衍射分析（XRD）在纳米材料研究中的应用124

3.4 光谱分析129

3.4.1 核磁共振谱129

3.4.2 红外（IR) 、激光拉曼光谱134

3.4.3 紫外（UV) 、可见（VIS）光谱分析139

3.4.4 穆斯堡尔谱分析143

3.4.5 原子光谱分析146

3.4.6 分子荧光光谱分析156

3.4.7 扩展X射线吸收精细结构谱分析158

3.5 能谱分析161

3.5.1 俄歇电子能谱分析（AES) 161

3.5.2 X射线光电子能谱分析(XPS)166

3.5.3 紫外光电子能谱分析(UPS)172

3.6 粒度分析173

3.6.1 粒度分析法173

3.6.2 粒度分析的样品制备174

3.6.3 粒度分析在纳米材料中的应用175

参考文献179

第4章 纳米材料的设计与计算181

4.1 新材料设计概述181

4.1.1 计算机模拟的发展181

4.1.2 纳米材料的分子模拟183

4.2 纳米材料设计与计算的原理与方法186

4.2.1 第一性原理方法186

4.2.2 分子力学方法188

4.2.3 分子动力学方法189

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

4.2.5 实验数据的解析与模拟190

4.3 纳米材料微观结构、性能与分子模拟191

4.3.1 X射线衍射线形精炼方法及结构分析191

4.3.2 纳米结构的计算机模拟195

4.3.3 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)203

4.3.4 分子光谱的模拟204

4.4 电子结构和性质205

4.4.1 C60与纳米碳管理论分析207

4.4.2 纳米碳管的性质208

4.4.3 纳米洋葱状富勒烯（Nano Onion-like Fullerenes, NOLFs) 213

4.4.4 表面与界面的理论研究216

4.4.5 能带-光子晶体217

参考文献220

第5章 纳米材料的制备技术223

5.1 由过饱和蒸气制备纳米团簇和纳米颗粒223

5.1.1 团簇生成技术223

5.1.2 团簇组装材料227

5.1.3 幻数227

5.1.4 溅射法、热蒸发和激光法制备纳米颗粒228

5.2 纳米颗粒的化学合成法235

5.2.1 溶液中的成核与长大236

5.2.2 细微颗粒稳定与抗聚集长大236

5.2.3 纳米颗粒237

5.3 半导体纳米团簇的合成243

5.3.1 表征方法及合成中的问题243

5.3.2 胶体/胶束/气泡245

5.3.3 聚合物246

5.3.4 玻璃247

5.3.5 晶型主体和沸石主体247

5.3.6 单一尺寸团簇248

5.4 机械研磨法制备纳米结构250

5.4.1 高能球磨和机械研磨251

5.4.2 纳米结构形成的现象学252

5.4.3 晶粒尺寸减小的机理257

5.5 人工多层材料258

5.5.1 微观结构259

5.5.2 加工260

5.6 纳米碳管的制备264

5.6.1 纳米碳管的特性264

5.6.2 纳米碳管的合成265

5.6.3 定向纳米碳管的制备270

参考文献290

第6章 纳米材料的加工291

6.1 溶胶-凝胶法加工纳米材料291

6.1.1 引言291

6.1.2 氧化物的制备292

6.1.3 凝胶形成的无粉加工295

6.1.4 凝胶制备中的干燥与脱水297

6.1.5 固化凝胶：烧结298

6.1.6 加工纳米结构材料的基体299

6.1.7 纳米材料溶胶-凝胶加工前景展望301

6.2 纳米晶材料的成形与烧结302

6.2.1 引言302

6.2.2 纳米晶颗粒的干法成形302

6.2.3 纳米晶颗粒的湿法成形304

6.2.4 无压烧结过程中的理想致密化304

6.2.5 无压烧结过程中的非理想致密化309

6.2.6 无压烧结过程中的晶粒生长311

6.2.7 无压烧结过程中孔对晶界的钉扎作用313

6.2.8 无压烧结过程中晶粒生长的极小化和致密化的极大化314

6.2.9 加压烧结和烧结锻压315

6.2.10 其他烧结方法简介318

6.2.11 结语320

参考文献320

第7章 纳米材料的应用321

7.1 纳米材料在结构件领域的应用321

7.1.1 纳米复合材料321

7.1.2 纳米材料在机械工程中的应用324

7.1.3 纳米材料在汽车工业中的应用327

7.1.4 纳米碳管与金刚石328

7.2 纳米材料和纳米技术在电子器件方面的应用331

7.2.1 纳米磁性材料331

7.2.2 纳米光功能材料338

7.2.3 纳米技术在电子器件方面的应用355

7.2.4 碳材料在电子器件方面的应用373

7.3 纳米材料在化学化工领域中的应用375

7.3.1 纳米材料作为催化剂375

7.3.2 作为增强、增韧和抗腐用的纳米塑料376

7.3.3 在材料表面防腐及功能化中的应用385

7.3.4 纳米材料在环保领域中的应用392

7.3.5 纳米碳管的化学修饰402

7.4 纳米材料在生物医药和健康卫生等领域的应用404

7.4.1 常用的生物材料及其特点404

7.4.2 纳米药物载体405

7.4.3 应用实例417

7.4.4 纳米技术在生物材料中的应用434

7.4.5 碳纳米材料在医学上的应用435

7.5 纳米材料在纺织品中的应用436

7.5.1 抗紫外线型化纤437

7.5.2 反射红外线（含抗红外线）型化纤438

7.5.3 抗菌、抑菌和除臭型化纤439

7.5.4 导电型化纤超细粉体材料442

7.5.5 功能化纤材料442

7.6 纳米材料在其他领域的应用443

7.6.1 纳米技术在体育方面的应用443

7.6.2 纳米技术在农业中的应用443

7.6.3 纳米技术在能源领域中的应用444

7.6.4 纳米功能材料在航空航天领域的应用446

7.6.5 碳纳米材料在其他方面的应用449

参考文献450 2100433B

《纳米材料及应用技术》从原子、分子层次设计与计算机模拟计算电子、原子、晶体结构、表征设备与技术、性能表征、制备技术到应用领域对纳米材料进行了较详细的论述。

本书依据作者研究团队以及国内外电催化纳米材料的研究进展，系统介绍了铂基和非铂基氧还原催化剂纳米材料、碳基非贵金属氧还原催化剂纳米材料、质子交换膜氢氧燃料电池阳极催化剂纳米材料、直接醇类燃料电池阳极电催化纳米材料、锂-空气电池碳基催化剂纳米材料、锂-空气电池正极催化剂纳米材料、环境电催化纳米材料、光电解水电催化纳米材料、生物燃料电池电催化纳米材料、微生物制备纳米材料的电子传递机制及其应用、有机分子合成电催化纳米材料、CO2还原电催化纳米材料、水电催化纳米材料。

第1章绪论1

1.1纳米科技与纳米材料1

1.2纳米材料与能源、环境的关系2

1.3纳米材料简介3

1.3.1纳米材料特性3

1.3.2纳米材料分类7

1.3.3纳米材料的表征7

1.4纳米半导体材料的特殊性质21

1.4.1光学性质21

1.4.2光催化特性22

1.4.3光电转换特性22

1.4.4电学特性22

1.4.5表面活性与敏感特性23

第2章氧化锌纳米材料的制备25

2.1氧化锌的结构和基本性质25

2.2氧化锌纳米材料的制备28

2.2.1水热合成法28

2.2.2电化学生长法30

2.2.3化学气相沉积法31

2.2.4溶胶-凝胶法34

2.2.5沉淀法35

2.2.6磁控溅射36

2.2.7分子束外延37

2.2.8原子层沉积39

第3章表面活性剂辅助电化学沉积制备多孔ZnO薄膜41

3.1表面活性剂的作用及分类41

3.1.1表面活性剂的作用41

3.1.2表面活性剂的分类42

3.2利用表面活性剂调控纳米材料的形貌43

3.2.1表面活性剂在纳米材料合成中的作用44

3.2.2表面活性剂聚集体在辅助纳米材料合成中的作用机理45

3.3表面活性剂在纳米氧化锌合成与制备中的作用49

3.3.1表面活性剂的特性49

3.3.2离子型表面活性剂辅助合成纳米氧化锌50

3.3.3非离子型表面活性剂辅助合成纳米氧化锌52

3.3.4表面活性剂对纳米氧化锌的性能的影响53

3.4电化学沉积法55

3.4.1电化学沉积的基本理论及影响因素55

3.4.2电沉积 ZnO 薄膜的体系58

3.5表面活性剂辅助电化学制备ZnO薄膜59

3.5.1实验方案60

3.5.2电化学沉积ZnO薄膜的原理及特点61

3.6SDS参与的电沉积ZnO薄膜62

3.6.1循环伏安(CV)曲线62

3.6.2薄膜的晶体结构分析64

3.6.3沉积电压对薄膜表面形貌的影响64

3.6.4溶液中Zn2 浓度对薄膜表面形貌的影响65

3.6.5SDS含量对薄膜表面形貌的影响65

3.6.6ZnO薄膜表面元素含量67

3.6.7光学性能表征70

3.7CTAB参与的电沉积ZnO薄膜71

3.7.1循环伏安(CV)图71

3.7.2XRD分析71

3.7.3不同CTAB含量的薄膜SEM图72

3.7.4不同沉积电压对薄膜形貌的影响72

3.7.5ZnO薄膜表面元素含量73

3.7.6ZnO薄膜光学性能表征75

3.8机理分析76

3.9本章小结77

第4章溶胶-凝胶法制备纳米ZnO多孔薄膜79

4.1溶胶-凝胶法79

4.1.1溶胶-凝胶技术的发展过程79

4.1.2溶胶-凝胶技术的特点80

4.1.3溶胶-凝胶技术的实现途径81

4.1.4溶胶-凝胶法的工艺过程85

4.1.5溶胶-凝胶法的影响因素88

4.1.6溶胶-凝胶法在材料合成中的应用89

4.1.7溶胶-凝胶法制备薄膜的方法93

4.2无机盐络合溶胶-凝胶法制备介孔ZnO薄膜96

4.2.1无机盐络合物溶胶-凝胶法96

4.2.2试验方案99

4.2.3凝胶的红外光谱分析101

4.2.4干凝胶的DTA-TG分析102

4.2.5制备条件和参数对薄膜的影响103

4.2.6ZnO薄膜的光学性能109

4.2.7ZnO薄膜的比表面积和孔分布111

4.3PEG辅助的溶胶-凝胶法制备多孔ZnO薄膜114

4.3.1模板组装化学114

4.3.2实验方案117

4.3.3聚乙二醇的结构特性118

4.3.4Zn(AC)2-PriOH-DEA-PEG系胶体的性质119

4.3.5多孔结构形成过程的影响因素122

4.3.6性能表征125

4.4本章小结129

第5章表面活性剂辅助直接沉淀法制备ZnO纳米结构材料130

5.1沉淀法130

5.1.1沉淀法的基本原理及特点130

5.1.2沉淀法制备粉体反应中单体颗粒的核化与生长131

5.1.3沉淀法在制备氧化锌材料中的应用132

5.2直接沉淀法制备ZnO纳米材料133

5.2.1实验方案133

5.2.2实验方法134

5.3直接沉淀法制备ZnO纳米材料134

5.3.1物相及形貌分析134

5.3.2形成机理分析135

5.4PVA辅助的直接沉淀法制备ZnO纳米材料136

5.4.1物相及形貌分析136

5.4.2PVA作用机理分析138

5.5CTAB辅助直接沉淀法制备ZnO纳米材料138

5.5.1物相及形貌分析138

5.5.2CTAB作用机理分析138

5.6制得不同形貌的纳米氧化锌的原因分析140

5.7紫外-可见光吸收光谱140

5.8本章小结141

第6章金属离子掺杂纳米ZnO的表征及发光性能142

6.1半导体氧化锌的发光理论142

6.1.1半导体中的能带142

6.1.2与发光有关的缺陷143

6.1.3掺杂半导体理论144

6.1.4载流子的复合147

6.2常用发光表征方法149

6.2.1光致发光谱149

6.2.2拉曼光谱151

6.3ZnO的光学性质153

6.3.1激子复合发光155

6.3.2带间跃迁发光156

6.3.3杂质或缺陷能级跃迁发光156

6.4实验方案156

6.5络合物结构分析157

6.6干凝胶的热分析158

6.7物相组成及形貌分析158

6.8红外光谱分析162

6.9金属离子掺杂纳米ZnO的光学性能163

6.9.1紫外-可见-近红外吸收光谱163

6.9.2金属离子掺杂纳米ZnO的PL图谱165

6.10本章小结167

第7章氧化锌纳米材料的应用168

7.1氧化锌纳米材料在能源中的应用168

7.1.1氧化锌的室温光致发光168

7.1.2氧化锌在新型光伏电池中的应用170

7.1.3氧化锌在透明导电薄膜中的应用178

7.1.4氧化锌的压电效应179

7.2氧化锌纳米材料在环境中的应用180

参考文献184

《纳米材料概论》结合国内外近年来纳米材料的研究进展编写而成。《纳米材料概论》的主要特点是引用了大量实例，说明纳米材料的制备、表征、性能、应用。《纳米材料概论》可作为大专院校有关材料类、化学类、物理类专业及其他相关专业的本科生及研究生的教学用书，也可供从事该领域研究的科研人员使用。