納米材料及單分散顆粒制備原理

納米材料及單分散顆粒制備原理第1頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)精細化工的定義與范疇

如何區(qū)別精細化學(xué)品與專用化學(xué)品，可歸納成以下六點：(1)精細化學(xué)品多為單一化合物，可用化學(xué)式表示其成分，而專用化學(xué)品很少是單一的化合物，常常是若干種化學(xué)品組成的復(fù)配物，通常不能用化學(xué)式表示其成分；(2)精細化學(xué)品一般為非最終使用性產(chǎn)品，用途較廣、專用化學(xué)品的加工度高，為最終使用性產(chǎn)品，用途針對性強；(3)精細化學(xué)品大體是用一種方法或類似的方法制造的，不同廠家的產(chǎn)品基本上沒有差別，而專用化學(xué)品的制造，各生產(chǎn)廠家互不相同，產(chǎn)品有差別，有時甚至完全不同；第2頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)精細化工的定義與范疇

(4)精細化學(xué)品是按其所含的化學(xué)成分來銷售的，而專用化學(xué)品是按其功能銷售的；(5)精細化學(xué)品的生命期相對較長，而專用化學(xué)品的生命期較短，產(chǎn)品更新很快；(6)專用化學(xué)品的附加價值率、利潤率更高，技術(shù)密集性更強，更需依靠專利保護或?qū)夹g(shù)訣竅嚴加保密，新產(chǎn)品的生產(chǎn)完全需依靠本企業(yè)的技術(shù)開發(fā)。第3頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一節(jié)精細化工產(chǎn)品的定義

精細化工產(chǎn)品：

對基本化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)的初級或次級化學(xué)品進行深加工而制取的具有特定功能、特定用途、小批量、多品種、附加值高、技術(shù)密集的一類化工產(chǎn)品。具有如下特點：具有特定功能、專用型強而通用性弱；小批量、多品種；技術(shù)密集度高，產(chǎn)品更新?lián)Q代快，技術(shù)專利性強；大量采用復(fù)配技術(shù)；附加值高。第4頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)精細化工產(chǎn)品分類及作用一、精細化工不僅提供了質(zhì)優(yōu)的半導(dǎo)體材料、磁性材料等，而且還提供了大量用于集成電路加工的超純化學(xué)試劑和超純電子氣體。二、精細化工對國防建設(shè)和空間技術(shù)的發(fā)展起著特別重要的作用。三、開發(fā)精細化工產(chǎn)品，可以降低能源消耗和節(jié)省資源。四、開發(fā)精細化工產(chǎn)品，可使原來的低檔產(chǎn)品變?yōu)楦邫n產(chǎn)品，顯著提高經(jīng)濟效益，進而提高產(chǎn)品在國際市場上的競爭能力，并增加外匯收入，實現(xiàn)國民經(jīng)濟的良性循環(huán)，加速現(xiàn)代化建設(shè)的速度。

第5頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)精細化工的發(fā)展趨勢

1.無機精細化工的發(fā)展趨勢

首先，要立足于本國的豐富的資源，積極發(fā)展系列化、多規(guī)格、多性能、高質(zhì)量的產(chǎn)品。第二，注意發(fā)展與信息科學(xué)、生命科學(xué)和材料科學(xué)有關(guān)的無機精細化工產(chǎn)品。第三，注意開發(fā)新的工藝技術(shù)，大力發(fā)掘無機物潛在的特殊功能。第四，充分認識我國是一個農(nóng)業(yè)大國，積極發(fā)展為農(nóng)業(yè)服務(wù)的以及農(nóng)產(chǎn)品加工工業(yè)需要的無機精細化工產(chǎn)品。第五，面對現(xiàn)狀，積極研制當前急需的產(chǎn)品，解決燃眉之急，同時也為深入發(fā)展無機精細化工打好基礎(chǔ)。第6頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)精細化工的發(fā)展趨勢

2．當前要優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)(1)新催化技術(shù)(2)新分離技術(shù)(3)增效復(fù)配技術(shù)(4)氣霧劑(CFC)無污染替代技術(shù)(5)生物技術(shù)第7頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月

第一篇21世紀的新材料與技術(shù)

第1章納米材料第2章單分散顆粒制備原理第3章界面化學(xué)與表面活性劑基礎(chǔ)知識第4章溶膠－凝膠技術(shù)第5章無機材料仿生合成技術(shù)第6章微乳化技術(shù)第7章外場作用下的無機合成（制備）技術(shù)第8頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第1章納米材料一、納米科技二、納米材料三、納米材料的性能四、納米材料和它們的應(yīng)用五、納米材料與化工冶金第9頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技的發(fā)展20世紀60年代R.P.Feynman：若從原子和分子水平上控制物質(zhì)，將會出現(xiàn)新的作用力和新的效應(yīng)。日本上田良二提出“超微粒子結(jié)構(gòu)”的新概念。70年代C.Hayash研究了納米粉體的性質(zhì)、生產(chǎn)方法及應(yīng)用，誕生了“納米技術(shù)”。80年代先后制造了掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡，從原子和分子水平上操縱物質(zhì)。1990年第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議。1991年碳納米管1997年美國成功地移動了單個原子。第10頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技的研究內(nèi)容納米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運動規(guī)律和相互作用、以及可能的實際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。第11頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月顆粒微細化過程第12頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月擺弄原子和分子的科技科學(xué)給了我們擺弄組成自然最基本的元素－原子和分子－的工具。每件東西都是由它們組成的。創(chuàng)造新事物的可能是無限的。納米科技是21世紀科技產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容之一，是可以與產(chǎn)業(yè)革命相比擬的，它是高度交叉的綜合性學(xué)科。第13頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技主要包括：納米體系物理學(xué)納米化學(xué)納米材料學(xué)納米生物學(xué)納米電子學(xué)納米加工學(xué)納米力學(xué)第14頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技的研究手段

在7個分支領(lǐng)域中，以掃描隧道顯微鏡STM為分析和加工手段做工作有一半以上。顯微鏡的分辨率：光學(xué)顯微鏡

200nm,在極端條件下可到110nm，超顯微鏡可達10nm。電子顯微鏡包括透射電子顯微鏡(TEM)0.5nm、掃描電子顯微鏡(SEM)6nm，掃描隧道顯微鏡(STM)0.1-0.01nm，可分辨單個原子。還有原子力顯微鏡（AFM)等。第15頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月Figure1:Observationofbacteriacellfissionwithatomforcemicroscopy(AFM)YuanS.J.etal.ColloidsandSurfacesB-Biointerfaces,2007:59(1),87-99.

第16頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月隧道顯微鏡(STM)基本原理－利用量子理論中的隧道效應(yīng)，將原子線度的極細探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個電極，當試樣與針尖非常接近時（小于1nm)在外加電場作用下，電子會穿過兩個電極之間的勢壘，流向另一電極，這一現(xiàn)象即隧道效應(yīng)。待測試樣應(yīng)具有一定的導(dǎo)電性才可以產(chǎn)生隧道電流。第17頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月YuanS.J.etal.ACSAppliedMaterials&Interface,2010:.

第18頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技的研究領(lǐng)域（1）直接安排原子和分子IBM兩名科學(xué)家利用STM直接操縱原子，在Ni基板上安排原子組成“IBM”字樣。日本科學(xué)家將硅原子堆成“金字塔”英國科學(xué)家制造4nm大小的復(fù)雜分子，具有“開”和“關(guān)”的特性。中國科學(xué)家制備的納米銅有超塑延展性，在室溫可伸長50倍。第19頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）納米材料具有傳統(tǒng)材料不具備的特性以傳統(tǒng)方式生產(chǎn)的材料在合成時會出現(xiàn)粗糙和不規(guī)則，并有許多缺陷，而納米材料則可作得完美無暇，納米材料的光、電、磁、熱、力學(xué)、化學(xué)、催化、敏感性等性能明顯不同于傳統(tǒng)材料。納米陶瓷CaF2、TiO2有良好的韌性，在180度經(jīng)受彎曲不產(chǎn)生裂紋。在硅表面將碳原子按照金剛石結(jié)構(gòu)排列，比普通刀鋒利許多倍。納米超薄涂層有只允許一定尺寸分子進入，作化學(xué)傳感器探測分子，智能薄膜作分子階段的物質(zhì)過濾，處理氣體，水凈化等。第20頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)納米生物學(xué)生物大分子的尺度正好落在納米范圍，基因工程、克隆技術(shù)即是在納米尺度上認識生物大分子的精細結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上進行裁剪和嫁接，制造具有特性功能的生物大分子。運用生物納米技術(shù)開發(fā)芯片－運用生物可以自建有結(jié)構(gòu)的“自建結(jié)構(gòu)”能力，利用蛋白質(zhì)和DNA等材料制作電路。研制運算速度高中央處理器，耗電量低的記憶元件，開發(fā)計算機芯片，長時間無需充電的筆記本電腦。第21頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）納米微機械和機器人。生物發(fā)動機（分子馬達）－利用人體內(nèi)的自然能源（三磷酸腺苷酸）作動力驅(qū)動一個帶漿葉（750nm長，表面涂肽的硅圓柱體）的微型機器。單分子邏輯電路，用碳納米管制成具有有源和無源兩種功能的晶體管，以一個單分子為基礎(chǔ)設(shè)計出計算機電路。量子電腦，有望成為硅芯片電腦的終結(jié)者。攝影膠囊第22頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料納米材料和技術(shù)是納米科技領(lǐng)域富有活力，研究內(nèi)涵十分豐富的科學(xué)分支，最接近應(yīng)用的重要組成部分。廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。第23頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月1、納米材料的分類（1）零維空間三維尺度均為納米（2）一維指在三維空間有兩維處于納米尺度（3）二維指在三維空間有一維處于納米尺度（4）三維納米固體，納米組裝材料第24頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月2、納米材料的發(fā)展史第一階段（1990年前）在實驗室探索用各種手段制備納米顆粒，研究評估表征的方法。第二階段（1994年前），如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料。第三階段（1994年到現(xiàn)在）納米組裝體系，人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系。第25頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的特性1、基本物理效應(yīng)（1）尺寸效應(yīng)當超微粒子尺寸與傳導(dǎo)電子德布羅意波長（=h/p=h/mv)相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致性質(zhì)與普通粒子不同（光吸收、磁性、內(nèi)壓、熱阻、化學(xué)活性、催化活性、熔點）。第26頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）界面與表面效應(yīng)納米粒子由于尺寸小，表面積大，導(dǎo)致位于表面的原子占有極大的比例，表面原子的活性使納米粒子具有明顯的表面效應(yīng)。比表面積：F=3/r1/r,若r=1m,則F>104cm-1（1m2）,若r=5nm，F(xiàn)>600m2比表面原子數(shù)：=4r2a/(4r3/3)a/r1/(r/a),

例a=0.2nm,r=1nm,20%為表面原子

a=0.2nm,r=1m,0.02%為表面原子第27頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）量子尺寸效應(yīng)從一個超微粒子取走和放入一個電子都是十分困難的---久保的納米粒子電中性模型。當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。

kBT?We2/d=4/3EF/NV-1第28頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）宏觀量子隧道效應(yīng)納米粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。一些宏觀量，如微粒的磁化強度、量子相干器中的磁通量及電荷等亦有隧道效應(yīng)，這種穿越宏觀勢壘而產(chǎn)生的變化稱為宏觀量子隧道效應(yīng)（MQT).第29頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的特性1、奇特的物性2、擴散及燒結(jié)效應(yīng)3、力學(xué)性能4、超塑性5、光電特性第30頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的化工制備氣相法（氣體冷凝法、濺射法、化學(xué)氣相沉積CVD、等離子體法等）固相法（機械合金化、高溫固相法、自蔓延燃燒合成法，沖擊波合成法等）液相法（沉淀法，水熱法、溶膠－凝膠法、微乳液法）噴霧干燥、超臨界干燥、冷凍干燥、微波合成與干燥。第31頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月第二章單分散顆粒制備原理第32頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月單分散體系分散體系－由分散相和連續(xù)介質(zhì)（分散介質(zhì)）組成的多相體系稱為分散體系。單分散體系－分散相以大小、形貌均一致的狀態(tài)被分散在分散介質(zhì)中即形成了單分散體系。單粒度體系－顆粒系統(tǒng)的粒徑相等時，可用單一粒徑表示其大小，這類顆粒稱為單粒度體系或稱為單分散體系。第33頁，課件共38頁，創(chuàng)作于2023年2月成核和生長的分離沉淀的形成一般要經(jīng)過晶核形成和晶核長大兩個過程。為了從液相中析出大小均勻一致的固相顆粒，必須使成核和生長兩個過程分開，以便使已形成的晶核同步長大，并在生長過程中不再