電化學(xué)法制備納米材料及表征技術(shù)課件.ppt

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1、電化學(xué)法制備納米材料及原位表征技術(shù)晉冠平2012.10第一節(jié)納米材料簡介第二節(jié).電化學(xué)法制備納米材料第三節(jié)納米材料的表征第四節(jié)應(yīng)用實例第一節(jié)納米材料簡介是一個古老而又嶄新的研究領(lǐng)域一.引言二.基本概念三.納米材料組成四.納米材料的作用一.引言1.歷史簡介生活中的納米:古銅鏡表面的防銹(納米氧化錫),燈灰(納米碳黑)20世紀60年代1963:Uyeda---氣體冷凝法—金屬超微粒子20世紀70年代:Nano-scaleScienceandTechnology(NST)1989:Gleiter-----納米材料(德國)1990:

2、NST-----納米科技誕生(美巴爾的摩)1992:TMS-----MineralsMetalsMaterials21世紀高新科技最有前途的材料它的出現(xiàn)將和金屬、半導(dǎo)體、熒光材料的出現(xiàn)一樣,引起科技領(lǐng)域的重大變革。(1)納米粒子:特征維度尺寸1-100nm范圍內(nèi)的微小粒子,又稱作超微粒子。處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域,是一種典型的介觀系統(tǒng);它的大小介于宏觀物質(zhì)與微觀粒子如電子、原子、分子之間,屬于亞微觀的范疇。(2)納米晶體:由納米粒子形成的晶體。它是一種具有全新“氣體狀”須固體結(jié)構(gòu)的新型材料,粒子內(nèi)部存在有序-無序結(jié)

3、構(gòu)。從傳統(tǒng)熱力學(xué)觀點來看,是一種亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。二.基本概念三.納米材料組成:(1)晶體組元:晶粒中的原子組成,這些原子都嚴格位于晶格位置上(2)界面組元:晶粒之間的界面原子組成,這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。(3)組成:由于納米粒子的粒徑很小使得粒子中的原子有很大部分處于粒子表面,表現(xiàn)在固體納米材料中,有相當(dāng)大比列的原子處于晶體界面上,即界面組元的比列很高,一般納米晶粒內(nèi)部的有序原子與納米晶粒的界面無序原子各占總原子數(shù)的50%。晶界對納米材料的結(jié)構(gòu)及物性具有重要的作用,由于這些大量的處于晶界或晶粒缺陷中心的原子,使納米

4、粒子產(chǎn)生小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面和截面效應(yīng)等,引起了納米材料在許多物理、化學(xué)、力學(xué)性能上與同組成的微米粒子材料有非常顯著的差異,它不僅開拓了人們認識世界的視野,也改變了某些傳統(tǒng)觀念。四.納米材料的作用1.小尺寸效應(yīng)(體積效應(yīng))當(dāng)超細微粒的尺寸與廣播的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長或超導(dǎo)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時,其周期性的邊界條件將破壞,那么這種材料在光、電、磁、熱和力學(xué)等方面均會表現(xiàn)出與大顆粒不同的特性。2.表面與界面效應(yīng)納米材料表面原子與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減少而大幅地增加

5、。納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境、結(jié)合能與內(nèi)部的原子不同,存在許多懸空鍵,具有不飽和性質(zhì),因而極易與其它原子結(jié)合,具有很高的電化學(xué)活性。3.宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子貫穿能壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米材料具有特殊的光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)(超導(dǎo))、化學(xué)(電化學(xué))、催化性能、耐蝕性能以及耐磨、減震、巨彈性模量效應(yīng)等特殊的機械性能。引起了凝聚態(tài)物理界、化學(xué)界、材料界科學(xué)工作者的極大關(guān)注,展現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。4.量子效應(yīng)當(dāng)粒子的尺寸小到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由連續(xù)變?yōu)殡x散,對于納米半導(dǎo)體材料存在的不連續(xù)的最高被占據(jù)分

6、子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道的能級核能隙變寬,此現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。五.合成氣相合成化學(xué)合成物理/氣溶膠方法近十幾年來對電化學(xué)制備納米晶體的研究,發(fā)現(xiàn)電化學(xué)制備納米晶體具有其他普通晶體所不具有的優(yōu)異性能,例如耐磨性、延展性、硬度、電阻、電化學(xué)性能及耐腐蝕性等。并且電化學(xué)制備納米晶體也相對比較容易,因而其在科學(xué)技術(shù)上的發(fā)展前景是非常廣闊的。第二節(jié).電化學(xué)法制備納米材料一.電化學(xué)制備納米材料的研究歷史二.電化學(xué)制備納米材料的原理及獨特性能三.電化學(xué)法制備納米晶體的影響因素四.納米材料的表征五.電化學(xué)制備納米材料的實例六.電化

7、學(xué)制備納米材料的應(yīng)用一.電化學(xué)法制備納米材料的研究歷史納米薄膜、納米微晶、納米金屬線、金屬氧化物等1939:用兩個含不同成分的電解池,交替在兩池間進行電沉積制備納米疊層膜1969:電沉積制備塊狀超精細結(jié)構(gòu)(直流電法)1990-1995:脈沖法電沉積制備納米晶體二.電化學(xué)制備納米材料的原理及獨特性能1.原理:金屬的電沉積過程,屬于陰極還原反應(yīng)過程(1)定義:就是在金屬電解過程中,金屬離子在電流的作用下在陰極還原并沉積為金屬的過程。制備關(guān)鍵:有效的控制晶粒的成核和生長(2)分類:根據(jù)沉積過程:單槽和多槽電沉積根據(jù)沉積方式:直流、

8、交流、脈沖、欠電位沉積、復(fù)合共沉積及噴射共脈沖電沉積:通過控制波形、頻率、通斷比和平均電流密度等參數(shù),使得電沉積過程在很寬的范圍內(nèi)變化,從而獲得具有一定特性的納米晶體鍍層。噴射電沉積:一種局部高速電沉積技術(shù),具有較高的熱量和物質(zhì)傳輸率,改善了電解質(zhì)的傳質(zhì)過程,提高了電流密度,從而提高了電沉

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