纳米材料课程论文优秀篇1浅谈纳米尺寸效应及其应用纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧下面是小编为大家整理的纳米材料课程论文优秀3篇,供大家参考。
纳米材料课程论文优秀篇1
浅谈纳米尺寸效应及其应用
纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 小尺寸效应。现在从尺寸效应探讨其特性和应用。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。量子尺寸效应指当金属或半导体从三维减小至零维时，载流子在各个方向上均受限，随着粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。金属或半导体纳米微粒的电子态由体相材料的连续能带过渡到分立结构的能级，表现在光学吸收谱上从没有结构的宽吸收过渡到具有结构的特征吸收。量子尺寸效应带来的能级改变、能隙变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收向短波长方向移动（蓝移），直观上表现为样品颜色的变化，如CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。同时，纳米微粒也由于能级改变而产生大的光学三阶非线性响应，还原及氧化能力增强，从而具有更优异的光电催化活性[5,6]。
第页 纳米材料与技术是在20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿交叉性新兴学科领域，它与住处技术和生物技术一起并称为21世纪三大前沿高新技术，并可能引导下一场工业革命。
纳米技术是严谨的高新交叉技术，人类刚刚迈进门槛，就显现出其强大的生命力。有些纳米材料（如纳米金刚石）经过表面改性和分散，可以均匀分布到聚合物的熔融体中，经过喷丝、冷却形成具有特殊功能的纳米纤维，添加比列很低，但每根短纤维上有成千上万个纳米颗粒。可以作成高抗磨、自清洁、防雨、防紫外线、防静电、杀菌、红外隐形等功能布料，很有发展前景。
将人类带入新的微观世界。人类可以从新的纳米技术领域获得很大好处。利用这项技术的目的是在纳米尺寸上操纵物质，以创造出具有全新分子组织形式的结构。这有可能改变未来材料和装置的生产方式，并且给人类带来巨大的经济益处。
比如，利用精确控制形状和成分的纳米“砖块”，人类有可能合成出自然界没有的材料。然后可以把这些材料组装成更轻更硬的较大结构，而且这种结构还具有课设计性。例如，美国国家科学技术委员会曾经发布的一份研究报告就描述了这些设想的特种新奇材料的特性。这些材料具有多种功能，并能够感知环境变化而且作出相应的反应。比如，预计会出现一种强度是钢铁10倍的材料，具有超导弹性，透明材料和具有更高熔点的材料。吧纳米技术用于储存器，那么可以是整个图书馆的信息放入只有糖块一样大的小装置中。也就是说，纳米技术不只是向小型化迈进了一步，而且是迈入了一个崭新的微观世
第页 界。
传统的解释材料性质的理论，只是用于大于临界长度100纳米的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度，那么物质的性质就常常无法用传统的理论去解释。而科学家正试图在大哥分子或原子尺度到十万个分子的尺度之内发现新奇的现象。
美国国纳米技术计划初期研究的重点是，在分子尺度上具有新奇的特性并且系统、物理和化学性能有明显提高的材料。比如，在纳米尺度上，电子和原子的交互作用受到变化因素的影响。这样，在纳米尺寸上组织物质的结构就有可能使科学家在不改变材料化学成分的前提下，控制物质的基本特性，比如磁性、蓄电能力和催化能力等。又如在纳米尺度，生物系统具有一套成系统的组织，这使科学家能够把人造组件和装配系统放入细胞中，以制造出结构经过组织后的新材料，有可能使人类模拟自然的自行装配。还有，纳米组件有很大的表面积，这能够使它们成为理想的催化剂和吸收剂等，并且在放电能和向人体细胞施药方面派上用场。利用纳米技术制造的材料与一般材料相比，在成分不变的情况下体积会大大缩小而且强度和韧性将得到提高。
美国西北大学开发的一种比色传感器，已经成功探测出结核杆菌。科学家把探测对象的DNA附加在纳米大小的黄金微粒上。当互补的微粒在溶液中存在时，黄金微粒会紧紧地结合在一起，改变悬浮液的颜色。
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由
第页 于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微粒而言，尺寸变小，同时其比表面积也显著增加，从而产生如下的新奇的性质：特殊的光学性质、热学性质、磁学性质和力学性质。具体的光学性质是当黄金被分割到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，尺寸越小，颜色愈是黑。由此可见，金属超微颗粒对反光的反射率很低。热学性质具有高矫顽力的特征，已经作为高储存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带。利用磁性，人们已经将磁性超微粒制成用途广泛的磁性液体。力学性质是具有良好的任性。因为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容易迁移，因此变现出很好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是有磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属比传统的粗晶粒金属硬3到5倍。
一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。
我们对纳米材料的认识还远远不够，还需要不断的探索和研究。相信通过不断的深入，一定会使纳米在更多的领域里发挥作用，服务于生产和生活。
第页
参考文献：
张力德、牟季美《纳米材料和纳米结构》科学出版社，2002 陈敬忠、刘剑洪《纳米材料科学导论》高等教育出版社，2006 黄昆原著，韩汝琦改编，《固体物理学》高等教育出版社，1988
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纳米材料课程论文优秀篇2
一维CeO2纳米材料的制备、表征及其性能研究
0 引言
纳米技术是近几年崛起的一门崭新的高科技技术． 它是研究现代技术与科学的一门重要学科，也是当前物理、化学和材料科学的一个活跃的研究领域。它是在纳米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物质（包括分子和原子） 的特性和相互作用，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在催化、光学、电磁、超导、化学和生物活性等方面呈现出优良的物理化学特性【1-2】等， 引起了各国科学家的广泛关注。
在纳米材料制备和应用研究所产生的纳米技术成为本世纪主导技术的今天，对纳米材料的研究已从单分散纳米颗粒发展到了纳米管、纳米线、纳米棒和纳米膜的制备与应用研究[101]。它们在纳米尺度电子器件、敏感器件、生物器件、纳米医药胶囊、纳米化学、电极材料和储氢能源材料等领域的潜在应用已成为国际研究的焦点[102, 103]。另外，纳米管、纳米线等一维结构的纳米材料既是研究其他低维材料的基础，又与纳米电子器件及微型传感器件密切相关[104]，所以进行设计合成尺寸规则、形貌可控、结构稳定的纳米管、线等一维纳米材料及其相关物性的研究就有着重要的理论意义和学术价值。
作为新材料中的一员——稀土纳米材料的研究也成为世界各国科学家研究的热点之一。纳米二氧化铈具有晶型单一，电学性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于SOFCS电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、 燃料电池、离子薄膜等方面【3-4】。近年来国内外研究者对纳米二氧化铈的制备及性能等进行了大量研究。下面就近年来有关二氧化铈纳米管和纳米线的制备方法及其性质和应用研究报道进行综述。
[101] Yang R.， Guo L.， Chinese Journal of Inorganic Chemistry, 2004, 20, 152. [102] Philip G. C.， Zettl A.， Hiroshi B.， Andreas T.， Smalley R. E.， Science, 1997, 279, 100. [103] Hu J.， Ouyang M.， Yang P.， Lieber C. M.， Nature, 1999, 399, 48. [104] Huang Y.， Science, 2001, 294, 1313.
1、一维CeO2纳米材料的制备方法
一维纳米结构材料如纳米线(棒)、纳米管等的制备通常采用水热合成法、模板法、非模板法等。 1.1声波降解法
这种方法是近年来提出的一种较新颖的方法，方法简单是其最大的特点。X i a等[401]以此法制得了硒的纳米线（见图1）。他们首先采用过量的联氨还原硒酸得到了球状的无定形硒胶体（ 粒径约在 0.1 -2um），然后进行干燥、在醇中重新分散并对其施加超声辐照。从图中可以看出，开始时由于声空化作用在胶体表面产生品种，随后胶体不断消耗，直至完全长成纳米线。此外Zhu等[402]将 Bi（ NO3）2， Na2S2O3和三乙醇胺（TEA）的水溶液在20kHz，60W·c m- 2 的高强度超声下辐照2h，制得了直径10-15nm，长度60-150nm的Bi2S3纳米棒。产品结晶度良好、形貌均一，且纯度较高。
[401] Xia Y，Gates B, Mayers B，et a1．A sonochemical approach to the synthesis of crystalline
selenium nanowires in solutions and on solid supports [J] Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [402] Zhu J M，Yang K，Zhu J J，et a1．The mierostrueture studies of bismuth sulfide nanorods prep- ared by sonochemical method [J]．Optical Material，2003，23 （ 1-2 ）：89．
1.2水热合成法
该法是指以水为分散溶剂，将反应物放入内含聚四氟乙烯衬底的不锈钢反应釜中，在高温高压条件下使之发生化学反应。先利用水热反应得到不同形貌的前驱体，再于空气中在一定温度下灼烧前驱体而得到所需纳米材料。这是一种制备形貌各异的纳米氧化物的有效方法之一[307]。该法具有条件温和、产物纯度高、晶粒发育完整、粒径小且分布较均匀、无团聚、分散性好、形状可控等优点，且其合成过程简单、装置简易及促使反应物能够在较低的温度反应生长，是一个非常有应用前景的合成新型一维结构稀土化合物的方法。
Xu等〔308〕以Dy2O3粉末为前驱体用水热法成功的合成了形貌独特的Dy(OH)3纳米管。水热合成法不仅可以制备出单一稀土氧化物 纳米线，而且可以制备出复合氧化物纳米线，Liu等[310]采用水热合成法合成出了La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr，Mn)纳米线。水热法过程简单、原料价格低廉且容易得到形貌独特的稀土材料，是一种可推广到制备其它稀土化合物的方法。 1.3模板合成法
水热合成法在制备一维纳米结构稀土化合物的优势是简单易行，但是不足之处在于粒子大小和形貌不易控制、粒子无序排列等。因此探索既能方便地制备出粒子的尺寸和形貌可控、粒子排列又有序的方法是纳米材料研究领域中的一个难点。近年来，随着对纳米材料研究的不断深人，模板合成方法越来越引起人们的关注。根据模板剂的结构可分为软模板法和硬模板法。软模板法是指利用表面活性剂液晶模板的原理诱导粒子的生长，硬模板法则是以含有有序多孔材料为模板，在孔内合成所要的各种微米和纳米有序阵列[315] 1.3.1软模板合成法
氧化物纳米管、纳米线的软模板法合成途径是通过溶液中表面活性剂的自组装或有机凝胶的诱导组装而实现的。Yada等[316]以十二烷基硫酸钠为软模板、尿素为沉淀剂的均匀沉淀法通过分子自组装方式合成出了稀土氧化物纳米管。 1.3.2硬模板合成法
硬模板合成法是利用硬模板剂的孔径限制和诱导纳米线、纳米棒的生长而得到形貌各异的一维纳米材料，其最大特点是能真正实现对材料形貌、粒子大小的调变，从而成为应用最广泛的可控制备方法之一。常用的硬模板有阳极氧化铝(AAO)、聚碳酸酯及碳纳米管等。采 用硬模板法合成纳米材料时应考虑3个方面情况：(l)前驱体溶液必须能够湿润孔（即亲水/疏水特性）；(2)沉积反应过程不宜太快，以免堵塞孔道；(3)在反应条件下，基体膜必须具备高的热稳定性和化学稳定性。基于此，前驱物在模板孔内的沉积方式通常有电化学沉积法、化学镀、化学聚合、化学气相沉积、溶胶一凝胶沉积及模板在溶液中直接浸渍等6种方式，而最常用的则为最后两种方式。所得纳米材料的形貌及粒径大小除与所选硬模板剂有关外，还与其沉积方式、时间等有很大关系。 1.4非模板合成法
除了水热法和模板法可合成出一维纳米结构材料外，Yada等[323]提出了无需利用模板剂的新合成方法，该法是添加无机物Na2SO4，NaHPO4等，通过共存离子自组装进人反应物混合体系，进而形成氧化物空心纳米管。通过比较Yada的模板合成法和无模板合成法，可知无模板的合成法所得稀土氧化物纳米管的种类多于模板合成法的，且前者的纳米管直径较大。
[307] Xu R R, Pang W Q. Inorganic Synthetic and Preparative Chemistry [M]。Beijing:Higher Education Press,2001. [308] Xu A W, Fang Y P, You L P, et al. A simple method to synthesize Dy2O3 and Dy(OH)3 nanotubes [J]。 J. Am. Chem. Soc.， 2003,125:1494. [310] Liu J B, Wang H, Zhu M K, et al. Synthesis of La0.55Ba0.5MnO3 (A=sr,Mn) by a hydrothermal method at low temperature [J]。 Mater Res.Bull.，2003,38:817. [315] 包建春，徐 正。纳米有序体系的模板合成及其应用[J]。无机化学学报， 2002, 18(10): 965. [316] Yada M, Mihara M,Mouri S, et al. Rare earth oxide nanotubes templated by dodecylsulfate assemblies[J]。 Adv. Mater.， 2002,14(4):309. [323] Yada M, Taniguchi C,Torikai T, et al. Hierarchical two-and three-dimensional microstructures composed of rare-earth compound nano-tubes [J]。 Adv. Mater.， 2004,16(16):1448. [001]吕仁江，周志波，高晓辉。 CeO2 纳米线阵列的制备[J]。无机化学学报， 2002, 18(10): 965.
纳米CeO2粉体及其固溶体的研究进展
摘要：本文综述了纳米CeO2的几种主要制备方法，以及CexZr1-xO2固溶体在汽车尾气净化催化剂中的作用、铈锆氧化物的体相结构及影响铈锆氧化物固溶体储氧能力（ OSC）和织构热稳定性的因素对其在催化剂中的应用作了简要陈述。介绍了掺杂对CeO2 结构的影响及其在催化剂方面的应用研究，展望了掺杂对改进CeO2性能的研究方向。
关键词：纳米CeO2；掺杂；CexZr1-xO2，三效催化剂；储氧能力
0 引言
由于纳米材料具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等， 使其呈现出许多独特的性质， 在结构与功
能陶瓷， 涂层材料 ， 磁性材料 ， 气敏材料， 催化材料 ， 医药材料等
领域具有广阔的应用前景L 1 ] 。
纳米稀土氧化物粉末是纳米稀土材料的重要组成部分， 它
既是一种可实用的新材料， 同时又可为其它大块新材料的制备
提供原料。其中， 纳米 C e O。 粉末由于具有独特的立方萤石型结
构特征L 2 ] ， 尤为引人关注。近年来， 国内外研究人员已用多种方
法制备出了单一的和某些复杂 的纳米 C e O 粉末， 并详细研究
了它们的物性及在多种领域的应用。
纳米CeO2具有比表面积大， 储氧性能好， 负载金属分散度高等许多优良特性， 掺杂对CeO2的结构及性能又有进一步改善， 因而是目前研究的热点。
CexZr1-xO2固溶体（简称CZ）具有高的储氧能力（ OSC）[111-112]和良好的热稳定性[113]，用作汽车尾气净化催化剂载体受到了广泛的关注，是目前催化剂领域的研究热点之一。研究工作主要集中于CZ的结构表征，结构与热稳定性、OSC的关系以及CZ基催化剂的催化作用等。本文主要介绍近年来国内外有关CZ在上述方面的研究进展 。
0 引言
纳米技术是近几年崛起的一门崭新的高科技技术． 它是研究现代技术与科学的一门重要学科，也是当前物理、化学和材料科学的一个活跃的研究领域。它是在纳米尺度上 （ 即1～100nm） 研究物质（包括分子和原子） 的特性和相互作用，纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，在催化、光学、电磁、超导、化学和生物活性等方面呈现出优良的物理化学特性【1-2】等， 引起了各国科学家的广泛关注。利用这些特性所开发出来的多学科的高新科技，成为特殊功能材料发展的基础。纳米氧化物作为纳米材料中的重要一员，在精密陶瓷、光电池、磁记录和传感器、催化剂、发光材料等方面有着重要的应用。因此，人们对纳米氧化物的制备和性能进行了广泛的研究 。
作为新材料中的一员——稀土纳米材料的研究也成为世界各国科学家研究的热点之一。纳米二氧化铈具有晶型单一，电学性能和光学性能良好等优点，因此被广泛应用于SOFCS电极、光催化剂、防腐涂层、气体传感器、 燃料电池、离子薄膜等方面【3-4】。近年来国内外研究者对纳米二氧化铈的制备及性能等进行了大量研究。纳米技术简介【5】
纳米技术(nanometer technology)主要针对 1～100 nm之间的尺寸，该尺寸处在原子、分子为代表的微观世界和宏观物体交界的过渡区域 ，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统 ， 突出表现为四大效应: 表面效应:指纳米粒子的表面原子数与总体积原子数之比随粒径的变小而急剧增大 ，从而引起的性质上的突变。粒径到达 10 nm 以下 ，表面原子之比迅速增大。当粒径降至 1 nm时 ，表面原子数之比超过 90 %以上，原子几乎全部集中到粒子的表面，表面悬空键增多 ，化学活性增强。
体积效应:由于纳米粒子体积极小 ，包含极少的原子 ，相应的质量也很小。因此 ，呈现出与通常由无限个原子构成的块状物质不同的性质 ，这种特殊的现象通常称之为体积效应。
量子效应:当纳米粒子的尺寸下降到一定程度 ，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散；纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级 ，从而使得能隙变宽 ，这种现象 ，称为量子尺寸效应。
宏观量子隧道效应:纳米粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年 ，人们发现一些宏观量 ，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应 ，它们可以穿越宏观系统的势垒。
研究表明，纳米材料的颗粒尺寸小，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全，导致表面活性位置增加，而且随着粒径的减小，表面光滑度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而增加了化学反应的接触面，具有很强的催化性能。因此，纳米催化材料是纳米材料研究的一个重要方向。纳米稀土材料是纳米催化材料的一个重要组成部分，它既具有纳米材料的优点，又具备稀土材料化学活性高、氧化还原能力强和配位数多变的特点，集两种材料的优势于一身，是比纯粹的纳米材料和稀土材料更优良的的新型复合材料；广泛应用于稀土化合物纳米粉体、稀土纳米复合材料、稀土纳米环保材料、稀土纳米催化剂等方面，具有广阔的市场前景。氧化铈是稀土族中一个重要的化合物，是一种用途非常广泛的材料，在玻璃、陶瓷、荧光粉、催化剂等领域中有广泛的应用，特别是在机动车尾气净化催化剂中，氧化铈作为一种重要的助剂，对改进催化剂的性能起着举足轻重的作用 ［6-7］ 。
c e ( ) 2 将在高薪技术领域发挥更大的潜力
二氧化铈的资源状况
我国稀土资源具有分布广， 品种多， 质量好的特点I 5 ] 。
据公布资料显示， 我 国稀土工业储量为 4 3 0 0万吨( 以 R E O
计) ， 远景储量为 4 8 0 0万吨， 占全球储量 9 1 0 0万吨的 4 3 ． 4
％左右， 居全球之首。铈在地壳中的丰度占第 2 5位， 与铜的丰度相当。
铈与其它稀土元素一样性质活跃， 为亲石元素。铈的主
要资源来 自氟碳铈矿和独居石。工业开采的铈的稀土矿物
主要有包头混合型稀土矿（ 氟碳铈矿和独居石混合的矿物 ） 、 独居石、 氟碳铈矿及离子型吸附矿， 山东微山和四川冕宁地
区的单一氟碳铈矿床。这些矿物中氟碳铈矿、 独居石 、 氟碳
钙铈矿含铈量（ 以C e 2 o 3 计） 都超过 5 0％， 如： 氟碳铈矿中已
达 7 4％， 独居石含铈量约 6 O％， 氟碳钙铈矿含铈量为 5 3 ～
6 2％。这为我国大力发展稀土铈工业提供了必要的物质基
础和优势。
目前我国c a 3 2 产品的原料包括下列几种_ 6
J ： （ 1 ） 混合型
氧氧化稀土[ R E （ OH）
] 。它是由混合型稀土精矿( 包头稀土
矿) 及氟碳铈矿精矿经处理后而制成的。R E（ OH） 中含
R E O 6 0％， C e O 2 5 0％。（ 2 ） 稀土精矿 ( R E O>~5 0％， C e O 2 4 8
％～5 0％) 。它可用包头稀土矿或 四川氟碳铈矿精矿处理
后而制 成。（ 3 ） 硫酸 稀土 和氯化稀 土 [ R E 2 （ S （ ） 4 ） 3中含
R E O 5 0％， C e O 2 5 0％； 在 RE C l 中含 R E o≥4 5％， C e C h ≥ 5％] 。均可由稀土精矿处理后而获得。上述三种原料 为
我国目前生产二氧化铈提供充足的原料。 国内外应用研究现状
目前旧内外正在开发和研究应用的领域
（ 1 ） 紫外线吸收剂方面的应用
目前大量使用的是有机紫外线吸收剂， 有饥物的最大缺
点足稳定性差， 容易分解 ， 分解产物还会加速其它高分子材
料老化， 最终影响产品的长期使用效果。此外有机吸收剂本
身或其分解产物具有一定的毒性， 符合绿色环保要求， 影
响产品出口和使用范围。
普通氧化铈用于紫外战吸收0 已在玻璃行业得到应用。 纳米 C e 的4
f
电子结卡 勾， 埘光吸收非常敏感， 而且吸收波 0 3 1 3 2 左右 段大多在紫外区（ 如图( 3 ） 示 ， 实验室自制粒度在 的（ 的紫外吸收网） ， 冈此所得的纳米复合抗紫外线剂，n m) ， 高效长久( 比
具有吸收效率高、 吸收波段宽（ 2 0 0 ～4 0 0 有机抗紫外线剂要长数倍） ， 防止高分子材料老化的功能将
更强， 绿色环保， 而且综合成本低。粒径 8
n m的) 2 超微
粉对紫外线吸收能力和遮断效果显著， 可用于基材涂料提高
耐候性。目前我国许多公司
在开发将其应用于涂料 ， 防止
坦克 、 汽车 、 储油灌等的紫外老化； 日本无机化学公司在该方
面也研制成功 了一种名为 C e f i g u a ~的紫外线遮断剂， 并建
立 铈防护剂生产线， 该产品与同类产品比较， 紫外线遮断
效果相同， 但透明性较其它产品优 良。今后， 随着铈防护剂[10]
纳米材料因其独特 的表面效应、 量子尺寸效应等而表现 出
不同于常规材料的特殊性能 ， 因而在各个领域得到了广泛 的使
用。 我国拥有丰富的稀土资源 ， 由于稀土元素具有独特的 f 电子
构型， 因此具有其独特的光 、 电、 磁性质。 为了进一步研究和开发
新型纳米稀土材料 ， 纳米稀土材料 的合成及应用成为了世界各
国科学家研究的热点之一。
C e Oz 属于立方晶系 ， 具有萤石结构。 C e 0。 作为一种典型的稀土氧化物有着多方面的功能特性 ， 被广泛用于 电子陶瓷、 玻璃
抛光、 耐辐射玻璃 、 发光材料等。最新研究表明， 由于Ce O。 独特 的储放氧功能及高温快速氧空位扩散能力 ， 因此可以被应用于
氧化还原反应 中， 成为极具应用前景的催化材料n ] 、 高温氧敏
材料[ ‘ ] 、 p H传感材料n ] 、 电化学池中膜反应器材料n 3 、 燃料 电
池的中间材料 ] 、 中温固体氧化物燃料 电池（ S OF C） 用电极 材
料[ g
0 ] 以及化学机械抛光 （ C MP ） 浆料[ ， 在现代高新技术领域
有 着巨大的发展潜力。而高科技的发展对 C e O。 的要求越来越高 ， 因此 C e O。 纳 米粉体的制备技 术也已成为必须迫切解决的问题。本文即根据最新 资料文献 ， 重点介绍了纳米 C e O。 在高新
技术领域中的应用 以及国内外有关纳米 C e O。 制备方法的研究
进展 ， 同时对纳米 C e O。 研 究的发展趋势提 出了新的展望 ， 以期
为进一步深入研究和开发高性能新型 C e O。 功能纳米材料提供
参考和借鉴 。
纳米氧化铈在高新技术领域的应用． 1
在汽车尾气探测及净化催化中的应用 随着汽车用量的增加， 环境污染越来越严重 。 由于环保法规
日趋严格 ， 汽车尾气探测和净化用催化剂的消费量大幅度增加 ， 这不仅是因为汽车尾气净化已经普及， 而且环保标准逐步提高 。
表 1 所示为美国联邦政府 、 加利福尼亚州和欧盟制定的汽车尾
气排放标准[ 】
。
显然 ， 如此严格的标准单靠汽车工业本身的努力远远不够 ， 必须开发新型材料来限制汽车尾气的排放以控制 日益严重的环
境污染 。C e 02 于还原气氛中很容易被还原为低价氧化物 ， 转化为缺氧型非化学计量氧化物 C e O
… 尽管在晶格上失去相当数
量的氧而形成大量氧空位 ， 但 C e O
一
仍然能保持萤石型晶体结
构。 这种亚稳氧化物暴露在氧化环境中， 又极 易被氧化为 C e O 。
由于 Ce 0 具有这种独特的储放氧功能 以及高温化学稳定性和
快速氧空位扩散能力（ 1 2 4 3 K时的扩散系数为 1 0 c m ／ s ） ， 而成
为性能优越的高温氧敏材料， 最适合作 为探测汽车尾气氧浓度
和控制发动机空燃 比的探头(
一探头) ， 以及探测低 氧分压的氧
敏传感器
] 。 C e O 能够改善催化剂中活性组分在载体上的分散
度， 因此也被广泛应用于催化氧化还原反应 。 在控制汽车尾气过
程中， C e O 是三效催化剂中最重要的助剂[ 1 。研究表明L 1
] ，利用纳米 C e 0 的 比表面积大 ， 化学活性高 ， 稳 定性好的特性 ，将 c e 0 作为助剂与添 加剂 ， 与贵金属 （ P t ， P d， R u等 ） 联用 ， 也
可将 C e O 作为载体或做成复合载体 ， 负载过渡金属 ， 可很大程
度提高储氧放氧能力 ， 明显改善催化性能 。
1 ． 2 在化学机械抛光（ C MP） 中的应用
化学机械抛光 （ C MP ） 是集成 电路 （ I C） 生产中硅晶圆片整
个沉积和蚀刻工艺的重要组成部分。它借助 C MP浆料 中超微
研磨粒子的机械研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用 ， 用专用抛
光盘在 已制作 电路 图形的硅 晶圆片上形成高度平整的表面， 是
目前能够提供超大规模集成电路制造过程中全局平坦化的一种
新技术n 。其中应用最广泛的是层间介电层 （ I L D） 的抛光， S i O2
则是最常用的层间介电层材料 。 要获得最佳的抛光效果， 需要制
备高效、 高质、 高选择性的 C MP浆料。
由于纳米 C e O 具有强氧化作用 ， 作为层 间 S i O 介 电层抛
光的研磨粒子， 具有平整质量高、 抛光速率快、 选择性好的优点 。
C e 0 粒子 比 s i 0 粒子柔软[ 1 ， 因此在抛光过程中 ， 不容易刮 S i O 抛光面。尽管 C e O 粒子硬度小， 却具有抛光速率快 的 点， 这主要在于 C e O 粒子在抛光过程中所起的化学作用。 C 粒 子抛 光 S i 0 介 电层 的机 理 如下
：
一 一
中的界面氧原子将与细胞色素 C中赖氨酸残基上的质子化氨基
相互作用并形成细胞色素 C与电极之 间的电子传递通道 ， 可以
获得细胞色素 C的快速传递反应 。C e 0 粒子越小， 比表面积越
大， 界面的氧原子数就越多， 因而可在电极表面产生越多的电化
学活 性 点 ， 得到 更好 的反应 促进 效 果L 2 。
1 ． 4 在燃料电池 电极 中的应用
电极在燃料 电池电化学 中有着十分重要的作用 ， 以 YS Z为
电解 质， 阴阳两极分别 为 L a （ S t ） Mn O。和 Ni — YS Z的 S OF C一
度 占据统治地位 ， 但是 C H。 在 Ni 上快速积炭 ， 阻碍 了 s 0F c甲
烷的直接氧化反应路径的开发 ， 而且以 Ni 为阳极催化剂存在着
抗硫能力差 ， 长时间操作会引起 Ni 烧结 。 C e O 作为一种新型材
料， 有着以下几个优点 ： （ 1 ） C e O 是一种混合 型导体 。可 以将阳
极氧化反应面扩大到 TP B面 （ 气相一 电极催化剂一 电解质三者的 界面） ； （ 2 ） C e O 的离子电导大于 YS Z， 可 以协助 01从 电解质
向阳极传递 ； （ 3 ） C e O 易于储氧、 传输氧 ， 纳米级 C e 0 比表面积
大， 增加了储氧的能力。 因此 C e 0 能够在阳极上应用 ， 解决 C Ht
直接应用于固体氧化物燃料电池的积炭问题L 2 。
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纳米材料课程论文优秀篇3
摘 要
纳米材料由于其自身特有的物理效应和化学性质，在不同领域具有广泛的应用性，因此被誉为“21世纪最有前途的材料”。纳米材料的应用前景十分广阔，它的发展给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来了新的机遇。
通过对纳米材料及制备技术课程的学习，本文综述了对纳米材料的认识，以及其特性、分类、制备方法和其应用领域。 关键词：纳米材料；分类；特性；制备；应用 前言
1.1 纳米及纳米材料
纳米，实际上是一个长度计量单位，1 nm = 10-9 m，即一米的十亿分之一。正是这神奇的十亿分之一米，向我们开启了一个崭新的微观物质世界。当物质到纳米尺度以后，大约是在1～100nm这个范围空间，物质的性能就会发生突变，呈现出特殊性能。这种既具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。纳米材料的科学价值和应用前景已逐步被人们所认识，纳米科学与技术被认为是 21 世纪的三大科技之一。
1.2 纳米材料的发展简介
近年来，世界各国对纳米材料给予了极大的关注，对纳米材料的结构与性能、制备技术以及应用前景进行了广泛而深入的研究，并纷纷将其列入高科技开发项目。2005纳米科技研发预算已达到10亿美元，而且在美国该预算的优先选择领域中，纳米材料名列第二位。现在美国对纳米技术的投资约占世界总量的二分之一。世界发达国家均对纳米产业进行战略性布局，并纷纷投入巨资。
我国的纳米材料研究起步比较晚，始于20世纪80年代末，但在“八五”期间已将纳米材料科学列入国家攀登项目。之后在基础研究和应用研究方面，我国在纳米技术研究方面也投入了大量的人力和物力。在《新材料产业“十二五”发展规划》中，纳米材料被列入6大发展重点之一的“前沿新材料”中。在国家各项科技计划的支持下，我国纳米材料及纳米科学技术也取得了比较突出的成果。 纳米材料的分类
在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。广义而言，纳米材料是指在3维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为3类：① 0维，指在空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；②1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等；③ 2维，指在3维空间中有1维在纳米尺寸，如超薄膜，多层膜，超晶格等。按化学组成可分为：纳米金属，纳米晶体，纳米陶瓷，纳米玻璃，纳米高分子和纳米复合材料。按材料物性可分为：纳米半导体，纳米磁性材料，纳米非线性光学材料，纳米铁电体，纳米超导材料，纳米热电材料等。按应用可分为：纳米电子材料，纳米光电子材料，纳米生物医用材料，纳米敏感材料，纳米储能材料等。 纳米材料的特性
纳米材料具有尺寸小，表面积大，表面能高，表面原子比例大的四大特点，并且具有小尺寸效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应，表面效应四大效应。纳米材料的特性主要取决于制备方法。
3.1 表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比，随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。
3.2 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质：① 特殊的光学性质；② 特殊的热血性质；③ 特殊的磁学性质；④ 特殊的力学性质。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性，介电性，能声学特性以及化学性能等方面。
3.3 量子尺寸效应
微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应产生最直接的影响就是纳米晶体吸收光谱的边界蓝移。这是由于在纳米尺度半导体微晶中，光照产生的电子和空穴不再是自由的。存在库仑作用，此电子空穴对类似于大晶体中的激子。由于空间的强烈束缚导致激子吸收峰蓝移，带边以及导带中更高激发态均相应蓝移。
3.4 宏观量子隧道效应
隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性
质。物质的机械、电学、光学等性质的改变，出现了构筑它们的基石达到纳米尺度。纳米材料之所以能具备独到的特性，是因为组成物质中的某一相的某一维的尺度缩小至纳米级，物质的物理性能将出现根本不是它的组分所能比拟的改变。 纳米材料的制备
纳米材料的制备主要有物理合成法和化学合成法，合成过程中将材料进行纳米结构化，主要包括以下几个方面。
常见的物理合成方法有喷雾法、喷雾干燥法、喷雾热解法、冷冻—干燥法、 反应性球磨法、气流粉碎技术等。其中气流粉碎技术具有比较多的优点，它是采用高速的超音速气流来加速固体物料，使物料互相撞击或与靶撞击使物料粉碎，气流粉碎技术加工效率较高，尤其是对超硬的材料更能体现出该方法的优点，比较先进的气流粉碎设备，可以使物料在粉碎时不接触其它物质，因而可以减小对粉料的污染。
化学合成法主要有等离子体制备纳米粉末技术化学气相沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法、溶剂热合成法、溶胶—凝胶法、水热法制备纳米粉末技术、微乳化技术等合成方法。其中化学气相沉淀法形成的纳米材料较细，较均一，化学气相沉淀法的原理是将一种或数种反应气体通过热、激光等离子体等而发生化学反 应，析出超微粉的纳米材料制备方法。由于存在于气相中的粒子成核及生长的空间比较大，因此，该方法制得的粒子分散度较好，同时，又因为反应是在封闭容器中进行，使得化学气相沉淀法形成的纳米粒子具有比较高的纯度。 纳米材料的应用
纳米材料具有常规材料所不具备的物理特性，即具有高度的弥散性和大界面，使纳米材料具有高扩散率，蠕变和超塑性。为原子提供了短程扩散途径，使有限固溶体的固溶性增强，烧结温度降低，从而其化学活性增大。因此纳米材料的力、 热、声、光、电磁等性质不同于该物质在粗晶状态时所表现出的性质。纳米材料的高强度、高扩散性、高塑性、低密度、高电阻、高比热、强软磁性等特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特 殊导体、热交换材料、敏感元件、润滑剂等领域。以下综述了纳米材料在几个领域的应用。
5.1碳纳米管的应用
纳米碳管在电学、力学、热学等方面具有特殊的性质，因此具有很好的应用前景。
纳米碳管的电学性质及应用，碳纳米管电极具有较大的电极表面积和较高的电子传递速率，因此可增大电流响应，使得碳纳米管电化学分析性能更为优异。另外在碳纳米管内，电子的量子限域所致电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，电子是沿着石墨片层的单个平面进行传导的，其电子传输通道随碳管直径的增加而增加，因此，纳米碳管具有独特的发射传导性质。改变纳米碳管格子的母体结构也可引起纳米碳管导电性的变化，因此碳纳米管的电学性能很独特，它同时具有金属性和半导体性，所以纳米碳管适宜于制备纳米电子原件。
力学性质及应用，C—C共价键使纳米碳管具有很高的强度和刚度。纳米碳管的弹性模量和相应的刚度值近似于或大于石墨的内平面值，同时纳米碳管还具备与其它碳物质不同的力学性质，比如轴向上的高弹性和径向上高塑性，这些特 性可使纳米碳管承受40％的拉伸变形而不会断裂。纳米碳管在受到压力影响时能产生流动性导致直径发生变化，其螺旋度也会随之改变，从而影响其电子特征。 利用纳米碳管的这种特性可用来制造探测机械压力的纳米传感器。
热学性质及应用，纳米碳管的热传导率体现的是石墨的内平面特性，故而它的热传导率非常高仅次于一定形式的掺杂金刚石。纳米碳管同时具有很高的长径比，此特点可以用来改善分散不连续的纤维复合物的热传导率。纳米碳管优异的 导热性能可使其发展为今后计算机芯片的导热板，也可用作发动机、火箭等各种高温部件的防护材料。纳米碳管具有高热稳定性，同时兼具高耐磨性和耐腐蚀性，可以用其制造刀具和磨具。
另外，纳米碳管还具很多其它性能，例如它的储氢特性，纳米碳管表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附 作用。纳米碳管粒子具有大的比表面积，也是纳米碳管具备吸附作用的重要原因。 纳米碳管还具有吸波特性，用纳米碳管做成的物体对微波雷达有好的隐身性能。
5.2 在催化方面的应用
用作高效催化剂是纳米颗粒材料的重要应用领域之一，纳米颗粒具有很高的比表面积，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等特点，导致表面的活性位置增加，使得纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有人预计纳米颗粒催化剂将成为本世纪催化剂的主角。光催化剂是一种具有应用潜力的特殊催化剂，纳米TiO2所具有的量子尺寸效应使其导电和介电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得负移，而介电电位变得正移，这使其获得了更强的氧化还原能力。
5.3 在电池中的应用
纳米材料已广泛应用到化学电源中的活性材料中，并推动着电池科技发展，纳米活性材料所具有的比表面大，锂离子嵌入脱出深度小，行程短的特性，使电
极在大电流下充放电极化程度小，可逆容量高，循环寿命长；纳米材料的高空隙率为有机溶剂分子的迁移提供了自由空间，使有机溶剂具有良好的相容性，同时，也给锂离子的嵌入脱出提供了大量的空间。作为电极的活性材料纳米化后，它表面增大，致使它极化减小，而电容量增大。由此产生较强大的电化学活性特别是纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究已取得了重大突破另外，由于纳米材料的研究目前大多处于实验室阶段，因此如何制得粒径可控的纳米颗粒，解决这些颗粒在贮存和运输过程中的团聚问题，简化合成方法，降低成本等，依然是以后还需要研究的重要问题。 总结
材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特性（如小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等），因而出现常规材料所没有的一些特别性能， 从而使纳米材料获得和正在获得广泛的应用。通过纳米技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，已成为经济新增长点的发展基础。随着其制备和改性技术不断发展，纳米材料将在诸多领域得到日益广泛的应用。 5
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