电化学法制备纳米材料及表征技术课件.ppt

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1、电化学法制备纳米材料及原位表征技术晋冠平2012.10第一节纳米材料简介第二节.电化学法制备纳米材料第三节纳米材料的表征第四节应用实例第一节纳米材料简介是一个古老而又崭新的研究领域一.引言二.基本概念三.纳米材料组成四.纳米材料的作用一.引言1.历史简介生活中的纳米:古铜镜表面的防锈(纳米氧化锡),灯灰(纳米碳黑)20世纪60年代1963:Uyeda---气体冷凝法—金属超微粒子20世纪70年代：Nano-scaleScienceandTechnology(NST)1989:Gleiter-----纳米材料(德国)1990:

2、NST-----纳米科技诞生(美巴尔的摩)1992:TMS-----MineralsMetalsMaterials21世纪高新科技最有前途的材料它的出现将和金属、半导体、荧光材料的出现一样，引起科技领域的重大变革。(1)纳米粒子：特征维度尺寸1-100nm范围内的微小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、分子之间，属于亚微观的范畴。（2）纳米晶体：由纳米粒子形成的晶体。它是一种具有全新“气体状”须固体结构的新型材料，粒子内部存在有序-无序结

3、构。从传统热力学观点来看，是一种亚稳态结构。二.基本概念三.纳米材料组成：（1）晶体组元：晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上（2）界面组元：晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。（3）组成：由于纳米粒子的粒径很小使得粒子中的原子有很大部分处于粒子表面，表现在固体纳米材料中，有相当大比列的原子处于晶体界面上，即界面组元的比列很高，一般纳米晶粒内部的有序原子与纳米晶粒的界面无序原子各占总原子数的50%。晶界对纳米材料的结构及物性具有重要的作用，由于这些大量的处于晶界或晶粒缺陷中心的原子，使纳米

4、粒子产生小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和截面效应等，引起了纳米材料在许多物理、化学、力学性能上与同组成的微米粒子材料有非常显著的差异，它不仅开拓了人们认识世界的视野，也改变了某些传统观念。四.纳米材料的作用1.小尺寸效应（体积效应）当超细微粒的尺寸与广播的波长、传导电子的德布罗意波长或超导的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将破坏，那么这种材料在光、电、磁、热和力学等方面均会表现出与大颗粒不同的特性。2.表面与界面效应纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅地增加

5、。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其它原子结合，具有很高的电化学活性。3.宏观量子隧道效应微观粒子贯穿能垒的能力称为隧道效应。纳米材料具有特殊的光学、力学、磁学、电学（超导）、化学（电化学）、催化性能、耐蚀性能以及耐磨、减震、巨弹性模量效应等特殊的机械性能。引起了凝聚态物理界、化学界、材料界科学工作者的极大关注，展现出诱人的应用前景。4.量子效应当粒子的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由连续变为离散，对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分

6、子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级核能隙变宽，此现象称为量子尺寸效应。五.合成气相合成化学合成物理/气溶胶方法近十几年来对电化学制备纳米晶体的研究，发现电化学制备纳米晶体具有其他普通晶体所不具有的优异性能，例如耐磨性、延展性、硬度、电阻、电化学性能及耐腐蚀性等。并且电化学制备纳米晶体也相对比较容易，因而其在科学技术上的发展前景是非常广阔的。第二节.电化学法制备纳米材料一.电化学制备纳米材料的研究历史二.电化学制备纳米材料的原理及独特性能三.电化学法制备纳米晶体的影响因素四.纳米材料的表征五.电化学制备纳米材料的实例六.电化

7、学制备纳米材料的应用一.电化学法制备纳米材料的研究历史纳米薄膜、纳米微晶、纳米金属线、金属氧化物等1939：用两个含不同成分的电解池，交替在两池间进行电沉积制备纳米叠层膜1969：电沉积制备块状超精细结构（直流电法）1990-1995：脉冲法电沉积制备纳米晶体二.电化学制备纳米材料的原理及独特性能1.原理：金属的电沉积过程，属于阴极还原反应过程（1）定义：就是在金属电解过程中，金属离子在电流的作用下在阴极还原并沉积为金属的过程。制备关键：有效的控制晶粒的成核和生长（2）分类：根据沉积过程：单槽和多槽电沉积根据沉积方式：直流、

8、交流、脉冲、欠电位沉积、复合共沉积及喷射共脉冲电沉积：通过控制波形、频率、通断比和平均电流密度等参数，使得电沉积过程在很宽的范围内变化，从而获得具有一定特性的纳米晶体镀层。喷射电沉积：一种局部高速电沉积技术，具有较高的热量和物质传输率，改善了电解质的传质过程，提高了电流密度，从而提高了电沉