無機(jī)精細(xì)化學(xué)品的制備-超細(xì)化

第二章無機(jī)精細(xì)化學(xué)品導(dǎo)入新課：無機(jī)精細(xì)化學(xué)品的應(yīng)用[思考]1、無機(jī)精細(xì)化學(xué)品和普通無機(jī)產(chǎn)品的區(qū)別？2、紅寶石與藍(lán)寶石的區(qū)別在哪？3、航天領(lǐng)域的高溫元件是什么材料？2．無機(jī)精細(xì)化學(xué)品

無機(jī)物品種甚多，對(duì)它的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用主要只停留在表面的、容易認(rèn)識(shí)的宏觀特性上.

量子化學(xué)結(jié)晶化學(xué)固體物理學(xué)

人們不僅已發(fā)現(xiàn)了晶體在離子或原子排列方面的缺陷，而且還深入地認(rèn)識(shí)到了缺陷既有不利的一面，也有有利的一面。2.1超細(xì)化

1mm以下的固態(tài)物質(zhì)稱為粉體

1m=103mm=106

μm=109nm=1010?0.1μm以下——超細(xì)顆粒粒徑在:0.1μm～10nm——微細(xì)顆粒（亞超細(xì)顆粒）。

10nm至100nm之間的稱大超細(xì)顆粒；

2nm至10nm之間的稱中超細(xì)顆粒；

2nm以下的稱小超細(xì)顆粒。粉體的生產(chǎn)方法：機(jī)械法氣相法液相法物理氣相法PVD化學(xué)氣相法CVD化學(xué)法物理法沉淀法醇鹽法水熱法2.1.1氣相法1).物理氣相沉積(PVD)法

PVD法是利用電弧、高頻電場(chǎng)或等離子體等高溫?zé)嵩磳⒃霞訜幔怪畾饣蛐纬傻入x子體，然后通過驟冷，使之凝聚成各種形態(tài)(如晶須、薄片、晶粒等)的超細(xì)粒子。

2).化學(xué)氣相沉積(CVD)法

CVD法是以金屬蒸氣、揮發(fā)性金屬鹵化物或氫化物或有機(jī)金屬化合物等蒸汽為原料，進(jìn)行氣相熱分解反應(yīng)，或兩種以上單質(zhì)或化合物的反應(yīng)，再凝聚生成超細(xì)粉2.1.2液相法1)、化學(xué)法液相法是實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上經(jīng)常采用的主要制備方法

(1)．沉淀法

沉淀法是在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯乖先芤褐械年栯x子形成各種形式的沉淀物。

(2)．醇鹽法醇鹽法是利用金屬醇鹽的水解制備超細(xì)粉體材料的一種方法。首要條件是要有金屬醇鹽化合物作為原料。

(3)．水熱法指在水溶液中或大量水蒸氣存在下，以高溫高壓或高溫常壓所進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)過程。2)、物理法

物理法的主要過程是將溶解度大的鹽的水溶液霧化成小液滴，使其中的水分迅速蒸發(fā)，而使鹽形成均勻的球狀。如再將微細(xì)的鹽粒加熱分解，即可制得氧化物超細(xì)粉。

舉例：納米二氧化鈦的制備納米二氧化鈦是一種附加值很高、用途極廣的科技新型無機(jī)材料，電子陶瓷、高檔涂料、防曬化妝品、催化劑及其載體、功能纖維、光敏材料以及環(huán)保等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。如：利用nm-TiO2的光電性和光敏性，可制nm-TiO2的感光材料，用于傳真和彩色復(fù)印材料，利用nm-TiO2的高靜電容量和感光性能制備高性能的感光材料，利用nm-TiO2的對(duì)紫外線的吸收率高（可達(dá)95%以上）的特性，可作為塑料的抗老化劑和化妝品中的紫外線吸收劑，除此以外，還可制作氣體傳感器和濕度傳感器。市場(chǎng)預(yù)測(cè)：全年需5000噸用于感光材料領(lǐng)域的nm-TiO2需50（噸/年）；用于防曬化妝品領(lǐng)域的nm-TiO2需200（噸/年）；用于氣體傳感器和濕度傳感器領(lǐng)域的nm-TiO2需25（噸/年）；用于電子陶瓷領(lǐng)域的nm-TiO2需240--340（噸/年）；用于光催化劑和催化劑載體領(lǐng)域的nm-TiO2需300（噸/年）；用于高級(jí)汽車面且漆領(lǐng)域的nm-TiO2需500（噸/年）；用于功能性化學(xué)纖維織物領(lǐng)域的nm-TiO2需1000（噸/年）；用于新型無機(jī)殺菌劑領(lǐng)域的nm-TiO2需1000（噸/年）；用于新型塑料領(lǐng)域的nm-TiO2需1500（噸/年）；納米TiO2產(chǎn)品物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)納米TiO2產(chǎn)品物理性質(zhì)納米TiO2晶體結(jié)構(gòu)性質(zhì)納米TiO2產(chǎn)品物理性質(zhì)光學(xué)特性光催化特性光電轉(zhuǎn)化特性電學(xué)特性光學(xué)特性納米TiO2具有優(yōu)異的光學(xué)性能例如，用納米TiO2納和納米SnO2微粒制成的多層干涉膜，對(duì)500-800nm波長的可見光有良好的透過性，但對(duì)1250-1800nm的紅外光卻有極強(qiáng)的反射能力TiO2和其他的白色顏料的遮蓋效率主要是利用光的反射，因?yàn)榘咨伭峡梢詮?qiáng)烈地使光線反射或曲折。若漆膜中有足夠的白色顏料，則入射漆膜表面的光幾乎可以完全地反射回來，于是漆膜就呈不透明狀，潔白而光澤光催化特性TiO2的光催化特性主要由以下三個(gè)方面決定①光催化劑粒徑當(dāng)TiO2的粒徑大小處于納米顆粒范圍(1-100nm)時(shí)光生主載離子從晶格內(nèi)部達(dá)到晶格表面的時(shí)間大大縮短，降低了空穴-電子對(duì)重新結(jié)合的概率，從而大大提高了TiO2的光催化活性②光催化劑表面狀態(tài)表面應(yīng)有一定的羥基基團(tuán)，借助羥基基團(tuán)實(shí)現(xiàn)光生空穴的捕獲，同時(shí)抑制空穴-電子對(duì)的復(fù)合，表面的適光強(qiáng)度和一定數(shù)量的酸堿中心的匹配也會(huì)促進(jìn)光催化反應(yīng)過程③光催化劑晶型一般認(rèn)為銳鈦型TiO2的光催化活性高于金紅型TiO2。如果在分子水平上將兩種晶型進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，得到混合晶型的TiO2則會(huì)具有更高的催化活性。光電轉(zhuǎn)化特性

納米半導(dǎo)體粒子構(gòu)成的多孔比表面積太陽能電池具有優(yōu)越的光電轉(zhuǎn)換特性C.J.Barbe和Graitzel等人制備銳鈦礦納米粒子介質(zhì)膜太陽能電池和經(jīng)三雙吡啶合釕[Ru(dcbpy)32+]染料敏化的納米TiO2太陽能電池的卓越性能，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)12%。電學(xué)特性TiO2是一種n型半導(dǎo)體材料，不僅在光學(xué)性質(zhì)上具有很高的折射率，而且在電學(xué)性質(zhì)上具有高的介電常數(shù)和壓電性質(zhì)半導(dǎo)體微粒和單臂納米碳管之間的電子轉(zhuǎn)移

與常規(guī)半導(dǎo)體材料不同的：納米半導(dǎo)體的介電常數(shù)隨測(cè)量頻率的減小呈明顯上升趨勢(shì)；在低頻范圍內(nèi)，納米材料半導(dǎo)體的介電常數(shù)呈現(xiàn)尺寸效應(yīng)；納米半導(dǎo)體有強(qiáng)的壓電效應(yīng)。納米TiO2晶體

結(jié)構(gòu)性質(zhì)TiO2有3種晶體結(jié)構(gòu)：金紅石型、板鈦型、銳鈦型

這些結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是其組成結(jié)構(gòu)的基本單元是TiO6八面體；這些結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于，是由八面體通過公用頂點(diǎn)還是共邊組成的骨架。TiOTiO6TiO2晶體結(jié)構(gòu)圖1[TiO6]八面體的連接方式◆銳鈦礦結(jié)構(gòu)是由[TiO6]八面體共頂點(diǎn)組成，而金紅石和板鈦礦結(jié)構(gòu)則是由[TiO6]八面體共頂點(diǎn)且共邊組成。a共邊b共頂-1-030201金紅石型的TiO2在三種晶型結(jié)構(gòu)中最穩(wěn)定，其相對(duì)密度和折射率較大，具有很高的分散光射線的本領(lǐng)和很強(qiáng)的遮蓋力和著色力銳鈦礦型結(jié)構(gòu)不如金紅石穩(wěn)定，但其光催化活性和超親水性較高，常用作光催化劑板鈦礦型結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)，是一種亞穩(wěn)相，很少被直接應(yīng)用TiO2性質(zhì)-3-氣相制備氣納米TiO2粉體液相制備納米TiO2粉體納米TiO2粉體的制備技術(shù)氣相法制備納米TiO2粉體四氯化鈦高溫氣相水解反應(yīng)法等離子體化學(xué)法醇鈦鹽熱裂解法電阻爐加熱四氯化鈦氧化法激光感應(yīng)醇鈦鹽熱解CVD法四氯化鈦高溫氣相水解反應(yīng)法原理及工藝流程

該方法是使TiCl4與水蒸氣在高溫下進(jìn)行水解反應(yīng)制備超細(xì)與TiO2粉，其水解化學(xué)反應(yīng)式如下：TiO2+4HClTiCl4+2H20反應(yīng)N2+TiCl4O2N2+H2O尾氣處理冷卻顆粒收集及干燥成品放空工藝流程如下生產(chǎn)控制參數(shù)及具體操作該方法采用高純N2為載氣和稀釋氣體，分別將TiCl4和水蒸氣帶入管式反應(yīng)器，在氧氣環(huán)境中于高溫下進(jìn)行反應(yīng)，以制備超細(xì)TiO2粉。

原料易得，產(chǎn)品粒度細(xì)，單分散性好，但HCl腐蝕性大，且反應(yīng)溫度高。該生產(chǎn)流程的主要工藝參數(shù)如下表反應(yīng)溫度/℃TiCl4分壓/kPaH2O分壓/kPaO2分壓/kPa550-8500.5-2.50.3-1.520-100表

TiCl4、O2和H2O氣相反應(yīng)制備超細(xì)粉的主要參數(shù)該生產(chǎn)方法影響TiO2粒徑的主要因素有：

TiCl4分壓、水蒸氣分壓、氧分壓和反應(yīng)溫度。TiO2的粒徑隨TiCl4分壓的降低、氧氣分壓和反應(yīng)溫度的升高而減??；

隨水蒸氣分壓在0.3-1.5kPa范圍內(nèi)變化，TiO2的粒徑出現(xiàn)極小值，此時(shí)溫度大約750℃。該方法合成的超細(xì)TiO2粉呈銳鈦礦型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)1Kg超細(xì)粉所消耗原料量、原料規(guī)格如下表所示原料名稱原料消耗原料規(guī)格TiCl4N2O2水蒸氣3.1Kg9.3m3（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）24.4m3（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）0.3m3（標(biāo)準(zhǔn)態(tài)）≥99.5%≥99.5%≥99.5%

—表TiCl4、O2和H2O氣相反應(yīng)制備TiO2超細(xì)粉法所需原料等離子體化學(xué)法利用低溫等離子體化學(xué)法，將無水TiCl4通入氧等離子體氣氛中，制備出了粒徑小于10nm的非晶型超細(xì)TiO2粉體。當(dāng)溫度高于200℃時(shí)，非晶TiO2轉(zhuǎn)化為具有銳鈦礦結(jié)構(gòu)的晶態(tài)，并且當(dāng)反應(yīng)物中加入少量無水SnCl4時(shí)，能使TiO2產(chǎn)率明顯增加醇鈦鹽熱裂解法該法一般利用鈦的烷基鹽為原料，在高溫下熱解而得超細(xì)TiO2

反應(yīng)式如下：+H2O+CnH2mTiO2Ti(OR)4CnH2m+2O22n+mnCO2+mH2O利用Ti(OC4H9)4為原料，高溫氣相熱解反應(yīng)制得了納米TiO2超細(xì)粒子，并且化學(xué)純度很高。

實(shí)驗(yàn)表明，隨著反應(yīng)溫度、Ti(OR)4進(jìn)口濃度和停留時(shí)間的增加，粒子粒徑增大，分布變寬，產(chǎn)物中金紅石型TiO2含量下降電阻爐加熱四氯化鈦氧化法M.K.Akhtar等人在利用TiCl4、O2為原料，制取納米TiO2的實(shí)驗(yàn)中研究了添加劑NaCl、HCl、KCl、CsCl對(duì)TiO2粒子的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度為1673時(shí)，在AlCl3或SiCl4的存在下，CsCl能有效地減小粒子的凝聚，從而控制粒子的增長速度。進(jìn)一步研究表明：

AlCl3是金紅石型轉(zhuǎn)化促進(jìn)劑，SiCl4則是銳鈦型轉(zhuǎn)化促進(jìn)劑，并且反應(yīng)體系中水蒸氣的存在會(huì)導(dǎo)致更多的銳鈦型TiO2的生成。

在AlCl3/TiCl4=0.07時(shí)，所得產(chǎn)品是純金紅石型;當(dāng)不添加AlCl3時(shí)，90%的TiO2是銳鈦型激光感應(yīng)醇鈦鹽熱解CVD法用CW-CO2激光為熱解光源，C2H4為光敏劑，Ti(OR)4、O2為原料，在連續(xù)流動(dòng)反應(yīng)池中，激光束聚焦后與噴嘴噴出的反應(yīng)氣體垂直交叉，形成高溫反應(yīng)焰，生成粉體經(jīng)載氣真空泵抽運(yùn)并收集。O2為噴嘴外環(huán)載氣，又為助燃劑。用CW-CO2激光加工成功地合成了粒徑約為6-20nm的超細(xì)TiO2粒子。當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，TiO2為無定形；隨著溫度的升高，TiO2逐漸由無定形→銳鈦型→金紅石型。加入適量的V2O5，能大大降低TiO2由銳鈦型向金紅石型轉(zhuǎn)化的溫度。液相法制備納米TiO2粉體硫酸鈦溶液-凝膠法制備TiO2超細(xì)粉鈦鹽水解法化學(xué)沉淀法醇鈦鹽溶液靜電噴涂法金屬鈦氧化法超臨界法(SC法)其他方法硫酸鈦溶液-凝膠法制備TiO2超細(xì)粉利用醇鈦鹽或鈦的無機(jī)鹽水解和縮聚作用進(jìn)行的溶膠-凝膠過程，合成均勻性良好的納米TiO2粉溶膠－凝膠法的基本原理

－水解反應(yīng)機(jī)理溶膠－凝膠法的基本原理

－縮聚反應(yīng)機(jī)理原理及工藝流程溶膠-凝膠法主要反應(yīng)式如下：+H2O+2Na2SO4TiO(OH)2Ti(SO4)2+4NaOHTiO2+H2O脫水TiO(OH)2脫水Ti(SO4)2溶液NaOH溶液反應(yīng)離心洗滌TiO2溶膠TiO2凝膠表面活性劑鹽酸溶液萃取回流減壓蒸餾抽真空干燥及熱處理研磨高溫煅燒成品有機(jī)溶劑工藝流程如下具體操作

Ti(SO4)2溶液與NaOH溶液反應(yīng)生成TiO(OH)2白色沉淀，經(jīng)離心洗滌以出去可溶性Na+、SO42-、等離子。將TiO(OH)2沉淀加入鹽酸溶液，在一定的溫度下加熱生成帶正電荷的透明水合TiO2溶膠。

該水溶液中加入一定的表面活性劑，如十二烷基苯磺酸鈉(DBS)，可交聯(lián)成為油性的凝膠，有機(jī)溶劑(如乙醇)萃取得到透明的有機(jī)溶膠。

有機(jī)溶膠經(jīng)回流、減壓蒸餾得到水合TiO2膠狀膠體，經(jīng)真空干燥及20℃、2h熱處理，可得到透明的超細(xì)TiO2粉顆粒。

減壓蒸餾出來的有機(jī)溶劑可提純?cè)倮?。所得到的顆粒經(jīng)研磨，高溫煅燒2h即得成品超細(xì)TiO2粉。TiO2超細(xì)微粒通過鈦鹽水解、均相成核、和生長過程形成，其動(dòng)力學(xué)速率方程為：鈦鹽水解法r=k[Ti(OR)4][H2O]3

利用工業(yè)溶液，加入乙二醇單甲醚，加熱水解制備。通過控制水解、煅燒條件，制備出了平均粒徑約為38nm金紅石型，雜質(zhì)含量小于0.1×10-6。但鈦液水解率只有21%化學(xué)沉淀法

該法經(jīng)濟(jì)，但沉淀物在過濾、干燥時(shí)易產(chǎn)生團(tuán)聚，不一得到超細(xì)粉

先將純凈的TiCl4溶液制成鹽酸溶液，在不斷攪拌下加入到NaOH溶液中，然后升溫到82℃，繼續(xù)攪拌，TiO2發(fā)生膠溶，然后沉淀。

將混合物淬冷后，再加入NaOH溶液調(diào)節(jié)PH值約為7.5，讓固相物沉淀，過濾，濾餅經(jīng)熱處理之后便得到針狀金紅石型，粒徑約為10-50nm。醇鈦鹽溶液靜電噴涂法氣相法中所用的醇鈦鹽為可揮發(fā)性的化合物，在靜電噴涂法中，難揮發(fā)的醇鈦鹽可已通過靜電噴涂技術(shù)轉(zhuǎn)化為氣溶膠，經(jīng)加熱區(qū)，熱解形成納米粒子，沉積在收集器內(nèi)金屬鈦氧化法ChenQianwang等人將金屬鈦(CP)放進(jìn)盛有30%H2O2溶液的特氟隆容器中，加入溫的飽和氨水溶液中，將金屬鈦全部氧化成TiCl42-，再利用H2將TiO2還原成為TiO2·xH2O液膠，并用氣流趕走多余的氨氣。過濾、干燥，經(jīng)熱處理即可得到超細(xì)TiO2超臨界法(SC法)

乙醇和異丙醇的臨界溫度Tc分別為241℃和238.4℃，與醇鈦鹽氣相熱解的溫度Tc=265℃差不多，特別適合做臨界想流體。

臨界相流體有近似液體的高密度和高溶劑能，但低的黏度和高擴(kuò)散率幾乎與氣體相接近。這些性質(zhì)有利于分子碰撞，能產(chǎn)生高的成核率。此法溶液濃度很低，可以避免粒子間的進(jìn)一步凝集，低壓下超臨界溶液作為氣體被出去，得到干燥的粉末，不再需要液-固分離。其他方法

利用機(jī)械粉碎裝置，如高能球磨機(jī)，將普通Ti02粉碎，即可得到1-100nm粒徑范圍的納米Ti02粉。此法簡(jiǎn)單，但粉體在純度和粒子外形上，還存在不足在化纖中的應(yīng)用在化妝品中的應(yīng)用納米TiO2抗菌材料4.納米TiO2產(chǎn)品的應(yīng)用在化纖中的應(yīng)用化纖用TiO2除了要具備一般TiO2顏料的基本特性外，還要求粒子微細(xì)、粒度分布窄且均勻，分散性好和雜質(zhì)很少。在化妝中的應(yīng)用

鈦白粉作為一種白色添加劑，主要用銳鈦型鈦白粉，但考慮到遮蓋力和耐曬時(shí)，還是應(yīng)采用金紅石型鈦白粉為好。

化妝品專用的鈦白粉，純度要求高，對(duì)有害雜質(zhì)的含量要求嚴(yán)。

納米二氧化鈦鈦白粉在染料中的應(yīng)用納米TiO2抗菌材料納米TiO2廣泛應(yīng)用于抗菌水處理裝置、食品包裝、衛(wèi)生用品、化妝品、紡織品等。納米TiO2為無機(jī)成分，無毒、無味、無刺激性，熱穩(wěn)定性與耐熱性好，不燃燒，且自身為白色，完全符合抗菌劑必須遵循的原則。納米TiO2粉體的制備方法液相沉淀法制備納米TiO2工藝撞擊流超聲波生產(chǎn)技術(shù)納米TiO2制備工藝納米金紅石型TiO2粉體的制備液相沉淀法制備納米TiO2工藝

反應(yīng)原理:以鈦液（TiOSO4）為原料，尿素(NH)2CO為沉淀劑生成偏鈦酸沉淀，加入0.01mol/LH2SO4和去離子水、溶膠劑、表面活性劑，然后絮凝分離、干燥煅燒后到TiO2納米顆粒。

設(shè)備和原料:

水解反應(yīng)器、上下片水槽、葉濾機(jī)、汽水分離機(jī)、漂白反應(yīng)器、超聲波振蕩器、噴霧干燥器、電熱回轉(zhuǎn)窯、冷凝器、負(fù)壓泵、鍋爐等。

鈦液、尿素、溶膠劑、表面活性劑、絮凝劑。

工藝流程和生產(chǎn)路線

將標(biāo)準(zhǔn)濃度的鈦液與定量尿素和去離子水放入有冷凝器的水解反應(yīng)器，攪拌、加溫，95℃時(shí)計(jì)時(shí)，PH=2時(shí)停止加熱，冷卻至室溫。用PH=2的0.01mol/L硫酸溶液沖洗偏鈦酸;進(jìn)入漂白反應(yīng)器進(jìn)行除雜，再經(jīng)水洗進(jìn)入溶膠合成器；當(dāng)出現(xiàn)沉淀時(shí)再進(jìn)行溶膠化；70℃±2，恒溫回流2h得到膠體；再絮凝、離心、干燥、打散或再沉降，水洗四次后噴霧干燥；750℃以上煅燒3h得到金紅石型納米TiO2顆粒。撞擊流超聲波生產(chǎn)技術(shù)納米TiO2制備工藝

撞擊流的基本結(jié)構(gòu)是兩股或多股均相或非均相流體相向流動(dòng)撞擊，由于慣性作用，一側(cè)流體粒子穿過撞擊面滲入相向流體，并做減幅震動(dòng)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)高度湍流區(qū)。經(jīng)過改進(jìn)的對(duì)撞器結(jié)構(gòu)，在碰撞過程中能夠產(chǎn)生強(qiáng)擠壓、剪切力，伴隨產(chǎn)生強(qiáng)烈的超聲波作用，它適合顆粒的超細(xì)粉碎和分散。撞擊流超聲波已在吸附、干燥、化學(xué)反應(yīng)、燃燒和混合等過程得到成功應(yīng)用。納米TiO2粉體的生產(chǎn)方法Ti(OR)4氣相水解法TiOSO4溶膠凝膠法TiCl4火焰水解法H2TiO3中和法Ti（OR）4氣相水解法：采用干法生產(chǎn)工藝、以TiCl4和醇制備的烷氧基鈦為原料，低溫干燥直接得到nm-TiO2，不經(jīng)過熱處理除水，產(chǎn)品是無定型超細(xì)TiO2，流動(dòng)性好。TiOSO4溶膠——凝膠法；采用濕法生產(chǎn)工藝，以硫酸法生產(chǎn)TiO2過程中的中間產(chǎn)物為原料，使用有機(jī)表面活性劑處理，不經(jīng)過熱處理除水，產(chǎn)品為定型超細(xì)TiO2，具有較好的透明性和分散性。

TiCl4火焰水解法：采用干法生產(chǎn)工藝，以氯化法生產(chǎn)TiO2過程中的中間產(chǎn)物為原料，其產(chǎn)品為銳鈦礦和金紅石混合物晶型TiO2，光催化活性高。H2TiO3中和法：采用濕法生產(chǎn)工藝，以硫酸法生產(chǎn)TiO2過程中的中間產(chǎn)物為原料，采用解聚劑使TiO2解聚，通過不同的熱處理溫度，控制產(chǎn)品的晶型。圖：nm-TiO2生產(chǎn)工藝流程圖流程綜述

由于偏鈦酸中含有一定量SO32-

、SO42-離子，須用氨水進(jìn)行中和（生成(NH4)2SO4、(NH4)2SO3）并經(jīng)多次洗滌除去SO32-

、SO42-，得到中性或略偏堿性的濕H2TiO3。為避免濕H2TiO3微粒在隨后的的干燥除水過程中產(chǎn)生附聚助團(tuán)。在乳化機(jī)中應(yīng)加入少量的分散劑，對(duì)H2TiO3粒子表面形成粒子保護(hù)層，防止成團(tuán)。經(jīng)過濾器后的H2TiO3溶液經(jīng)噴霧干燥，脫出其物理水。由噴霧干燥過濾器出來的粉體經(jīng)進(jìn)一步熱處理，一方面脫除化學(xué)結(jié)合水，使H2TiO3=TiO2+H2O，生成TiO2。另一方面，利用溫度的高低，控制TiO2的晶型。最后經(jīng)氣流粉碎和表面處理后，即得成品。工藝特點(diǎn)：（1）H2TiO3原料來源廣泛，無毒性和危險(xiǎn)性，價(jià)格低廉。（2）制作工藝過程簡(jiǎn)單，投資少，操作易控制，常溫常壓下液相反應(yīng)，無腐蝕作用。（3）廢水、廢氣產(chǎn)生量少。（4）產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，純度高。（5）生產(chǎn)成本低，是烷基鈦法生產(chǎn)成本的十分之一。謝謝大家!ThankYou!超細(xì)化概要67一、不同顆粒的粒徑◆

PM2.5(particulatematter)粒徑≤2.5微米的顆粒物?！舴勰┗蝾w粒：1mm以下的固體物質(zhì)；◆微細(xì)顆粒（或亞超細(xì)顆粒）（空氣中的塵埃）：0.1-10μm以下的固體物質(zhì)；◆超細(xì)顆粒：0.1μm以下的固體物質(zhì)；大超細(xì)顆粒：10-100nm中超細(xì)顆粒：2-10nm小超細(xì)顆粒：2nm宏觀介觀微觀介觀就是介于宏觀和微觀的意思。納米技術(shù)研究對(duì)象的尺寸在1～lOOnm，或者說是10～106原子分子組成的粒子。（賈修偉編著,納米阻燃材料,化學(xué)工業(yè)出版社,2005年01月第1版,第7頁）6869二、超細(xì)顆粒的奇特性質(zhì)納米材料在力、熱、聲、光、電、磁等方面有許多特性，如：①熔點(diǎn)顯著降低:例：Ag900℃→100℃；Au1064℃→327℃；用于高熔點(diǎn)材料WC、SiC、BN、Si3N4等的高溫?zé)Y(jié)。②表面能增加，具有較高的化學(xué)活性如用作：高效催化劑，火箭固體燃料的助燃添加劑③其他特性，如磁性強(qiáng)，熱傳導(dǎo)好，對(duì)電磁波的異常吸收等三、超細(xì)顆粒的制備方法1、機(jī)械力：難以得到微米級(jí)以下的顆粒2、物理和化學(xué)方法7071機(jī)械法物理和化學(xué)法沉淀法醇鹽法水熱法化學(xué)法物理法氣相法液相法固相法物理氣相法化學(xué)氣相法粉體生產(chǎn)方法Conclusions一、超細(xì)粉體的粒徑：1-100nm二、超細(xì)顆粒的奇特性能：力、熱、聲、光、電、磁學(xué)特性；三、超細(xì)粉體的制備方法（超細(xì)化方法）。7273醇鹽法①金屬醇鹽：金屬醇鹽是指金屬置換醇中羥基的氫而生成的含M－O－C－鍵的金屬有機(jī)化合物的總稱。化學(xué)通式為M（OR）n，M為金屬，R代表烷基或烯丙基。②醇鹽法：所謂醇鹽法就是利用金屬醇鹽的水解制備超細(xì)粉體材料的一種方法。7475金屬醇鹽的特性①一般具有揮發(fā)性②金屬醇鹽容易進(jìn)行水解76醇鹽法應(yīng)用舉例Ba（OC3H7）2、Ti（OC5H11）4等分子混合后，經(jīng)水解過濾干燥后得到BaTiO3。77共沉淀法

共沉淀法：沉淀法是在原料溶液中添加適當(dāng)?shù)某恋韯?，使原料溶液中的陽離子形成各種形式的沉淀物。如果原料溶液中有多種成分的陽離子，經(jīng)沉淀反應(yīng)后，就可以得到各種成分均一的混合沉淀物，這就是所謂的共沉淀法。沉淀法共沉淀法沉淀劑沉淀劑79共沉淀法舉例向BaCl2和TiCl4混合溶液中滴加草酸溶液，→沉淀出BaTiO(C2O4)2·4H2O（草酸氧鈦鋇晶體）,

→過濾、洗滌和加熱分解等處理，→具有化學(xué)計(jì)量組成的、所需晶型的BaTiO3超細(xì)粉。80在沉淀法的操作過程中，一般是向金屬鹽溶液中直接滴加沉淀劑。這樣勢(shì)必造成沉淀劑的局部濃度過高，使沉淀中極易夾帶其它雜質(zhì)和粒度不均勻等問題。共沉淀法的缺點(diǎn)81均勻沉淀法在溶液中預(yù)先加入某種物質(zhì)，然后通過控制體系中的易控條件，間接控制化學(xué)反應(yīng)，使之緩慢地生成沉淀劑。只要控制好生成沉淀劑的速度，就可以避免濃度不均勻現(xiàn)象，使過飽和度控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，從而控制粒子的生長速度，獲得粒徑均勻、夾帶少、純度高的超細(xì)粒子。這個(gè)方法就是均勻沉淀法。82均勻沉淀法舉例該法常用的試劑有尿素。其水溶液在70℃左右發(fā)生分解反應(yīng)：（NH2）2CO＋3H2O→2NH4OH＋CO2↑生成的NH4OH起到沉淀劑的作用。均勻沉淀法舉例：氧化鋅的合成納米：長度單位，1nm=10-9m第四節(jié)納米粒子一、納米科技 ?InGreek,“nano”meansdwarf什么是納米科技(Nano-ST)？創(chuàng)造和制備各種新型具有優(yōu)異性能的納米材料設(shè)計(jì)、制備各種納米器件和裝置探測(cè)分析納米材料,器件的結(jié)構(gòu),性質(zhì)及其相互關(guān)系和機(jī)理制造和研究納米尺度（10-9

～10-7m）的器件和材料的科學(xué)技術(shù)。納米科技概念的提出與發(fā)展人類能夠用宏觀的機(jī)器制造比其體積小的機(jī)器,而這較小的機(jī)器可以制作更小的機(jī)器,這樣一步步達(dá)到分子線度,即逐級(jí)地縮小生產(chǎn)裝置,以至最后直接按意愿排列原子,制造產(chǎn)品.那時(shí),化學(xué)將變成根據(jù)人們的意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的問題。

當(dāng)2000年人們回顧歷史的時(shí)候,他們會(huì)為直到1959年才有人想到直接用原子,分子來制造機(jī)器而感到驚訝。

RichardP.Feynman,1959“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”Richard

P.Feynman(1959)

PhysicsNobelLaureate納米科技的發(fā)展

Taniguchi

第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議(Internationalconferenceonnanoscienceandtechnology)

1990年7月美國巴爾的摩EricDrexler1974年科學(xué)家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工;

1977

分子裝置開始研究,并稱之為納米科技.他70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個(gè)納米科技研究小組。

重要進(jìn)展(1)安排原子組合成“IBM”字樣、中國地圖等；

(2)納米尺度的合成為人們?cè)O(shè)計(jì)新型材料打開了新的大門。有機(jī)-無機(jī)雜化材料

(3)納米材料與藥物、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的交叉是必然的發(fā)展趨勢(shì)。靶向藥物，稱為“生物導(dǎo)彈”納米微機(jī)械和機(jī)器人

(4)納米生物學(xué)，使生命科學(xué)的研究上了一個(gè)新的臺(tái)階。

制造多種多樣的生物“產(chǎn)品”，農(nóng)、林、牧、副、漁業(yè)也可能因此發(fā)生深刻變革，人類的食品結(jié)構(gòu)也將隨之發(fā)生變化。

（5）納米材料在催化反應(yīng)中具有重要作用。

通過納米材料的光催化從水、二氧化碳和氮?dú)庵刑崛∮杏梦镔|(zhì)，例如，液體燃料一直是人們研究的重要課題，最近日本利用納米鉑作為催化劑放在氧化鈦的載體上，在加入甲醇的水溶液中通過光照射成功地制取了氫。國家自然科學(xué)基金與納米科技國家自然科學(xué)基金資助"納米"科技項(xiàng)目和經(jīng)費(fèi)逐年增加(根據(jù)題目上出現(xiàn)"納米"字樣的部分基金項(xiàng)目的統(tǒng)計(jì)結(jié)果)納米科技是一個(gè)多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，各科學(xué)部分別從不同角度予以了資助納米科技的科學(xué)意義（1）納米科技將促使人類認(rèn)知的革命;

（2）納米科技將引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命;（3）納米科技是一門綜合性的交叉學(xué)科.師昌緒院士為國家自然科學(xué)基金資助納米科技研究成果展覽題詞

納米科技的前景展望材料和制備微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)環(huán)境和能源醫(yī)學(xué)與健康生物技術(shù)航天和航空國家安全FROM:1~100nm固體，大小在膠體粒子（1nm~1μm）范圍。第四節(jié)納米粒子二、納米粒子 ?熔點(diǎn)變化電學(xué)性質(zhì)顆粒間距小于5nm時(shí)，電子可穿過顆粒間勢(shì)壘而傳遞。隧道效應(yīng)很難從小于10nm的金屬粒子中取去或注入電子。

這種粒子具有保持電中性的趨勢(shì)，對(duì)比熱容、

磁化、超導(dǎo)電性都有重要影響（Kubo效應(yīng)）。納米顆粒的燒結(jié)溫度

強(qiáng)烈的量子尺寸效應(yīng)納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌Al2O3形貌NATUREVol.4371September2005AgAuNanofibresNanobelt/nanoribbonZnOSCIENCEVOL2919MARCH2001ZnOMaterialsLetters59(2005)1696–1700Nanopeapod（納米豆莢）high-resolution,low-temperaturescanningtunnelingmicroscope(STM)(Science1February2002)NanoringsJACS2005Nano-flowers中科院物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室李超榮副研究員、張曉娜、表面物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室曹則賢研究員通過應(yīng)力自組裝在無機(jī)體系A(chǔ)g/SiOx微米級(jí)的內(nèi)核/殼層結(jié)構(gòu)上成功地獲得了三角格子鋪排和斐波納契數(shù)花樣。研究?jī)?nèi)容以Report形式于2005年8月5日發(fā)表在Science上。文章發(fā)表后在國際上引起了強(qiáng)烈的反響。Nanotechweb和ORFONScience網(wǎng)站當(dāng)天就分別以“應(yīng)變的微結(jié)構(gòu)形成類植物花樣”和“微觀世界的花朵”作了長篇介紹。納米粒子的表征TEM(隧道顯微鏡)Fourbasictypesofnanotechtoolsareavailable:?Visualizationtools,primarilyscanningprobeandelectronmicroscopes;?Measurement(ormetrology)tools,includingspectroscopicandopticsbased;?Fabrication/productiontools,includingnanomanipulatorsandnanolithographicdevices;?Simulation/modelingtools,whichaidinthedesignanddevelopmentofnanotechnologyproducts.SEM(掃描顯微鏡)AFM(原子力顯微鏡)STM(掃描隧道顯微鏡)納米的四大效應(yīng)（1）表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。（2）量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸降低到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗?jí)和納米半導(dǎo)體微粒的能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。（3）小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對(duì)于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對(duì)于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會(huì)導(dǎo)致電、磁、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)。（4）宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。（1）表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。Relationshipbetweentheratioofthesurfaceatomstowholeatomsandparticlesize（2）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸極小時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)將由準(zhǔn)連續(xù)態(tài)分裂為分立能級(jí)的現(xiàn)象。量子尺寸效應(yīng)可導(dǎo)致納米顆粒的磁、光、聲、電、熱以及超導(dǎo)電性與同一物質(zhì)原有性質(zhì)有顯著差異，即出現(xiàn)反?，F(xiàn)象。例如金屬都是導(dǎo)體，但納米金屬顆粒在低溫時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)絕緣性。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)當(dāng)半導(dǎo)體硒化鎘顆粒隨尺寸的減小能帶間隙加寬，發(fā)光顏色由紅色向藍(lán)色轉(zhuǎn)移。美國伯克利實(shí)驗(yàn)室控制硒化鎘納米顆粒尺寸，所制備的發(fā)光二極管可在紅、綠和藍(lán)光之間變化。量子尺寸效應(yīng)使納米技術(shù)在微電子學(xué)和光電子學(xué)地位顯赫。尺寸及形貌導(dǎo)致顏色不同（3）小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粒子尺寸與德布羅意波以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，對(duì)于晶體其周期性的邊界條件將被破壞，對(duì)于非晶態(tài)納米粒子其表面層附近原子密度減小，這些都會(huì)導(dǎo)致電、磁、光、聲、熱力學(xué)等性質(zhì)的變化，這稱為小尺寸效應(yīng)。隨著納米顆粒尺寸的減小，與體積成比例的能量，如磁各向異性等亦相應(yīng)降低，當(dāng)體積能與熱能相當(dāng)或更小時(shí)，會(huì)發(fā)生強(qiáng)磁狀態(tài)向超順磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變。當(dāng)顆粒尺寸與光波的波長、傳導(dǎo)電子德布羅意波長、超導(dǎo)體的相干長度或透射深度等物理特性尺度相當(dāng)或更小時(shí)，其聲、光、電、磁和熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。將導(dǎo)致光的等離子共振頻移、介電常數(shù)與超導(dǎo)性能發(fā)生變化。（4）宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。電子既具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者說它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。三、納米粒子的制備 ?物：使溶劑蒸發(fā)或分離化：在溶液中組分間發(fā)生反應(yīng)a.氣相法b.液相法c.固相法PVDCVD（金屬、合金、個(gè)別金屬氧化物）（目前實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用最多）噴霧蒸發(fā)、降溫、冷凍沉淀、水解、水熱合成、氧化還原、乳狀液、微乳液、溶膠凝膠、螯合一般沉淀法用于制備單組份或多組分的不溶性化合物攪拌情況下將沉淀劑加入金屬鹽的水溶液，生成沉淀、過濾、洗凈、干燥、焙燒影響因素：a.沉淀劑和金屬鹽的性質(zhì)影響沉淀過程b.沉淀反應(yīng)條件c.沉淀終點(diǎn)控制與雜質(zhì)控制d.洗滌制備方法舉例1.沉淀法：均相沉淀/一般沉淀/反滴共沉淀法均相沉淀(反滴)共沉淀制備方法舉例1.沉淀法：均勻沉淀/一般沉淀優(yōu)點(diǎn)：易精制；方便制取復(fù)合金屬氧化物優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)物純度高缺點(diǎn)：凹液面兩側(cè)壓力差可能破壞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生新的聚集2.金屬醇鹽水解3.溶膠-凝膠法4.水熱法優(yōu)點(diǎn)：有一定溫度及壓力，有可能實(shí)現(xiàn)常規(guī)條件下難進(jìn)行的反應(yīng)； 產(chǎn)物一般為晶態(tài)，無需焙燒晶化。改善：a.取代以潤濕性差的液體

b.將凝膠于超臨界狀態(tài)干燥5.螯（配）合物分解:金屬原子或離子與若干個(gè)配位體通過配位鍵組合而成分解，釋放金屬離子反應(yīng)生成不溶金屬氧化物、氫氧化物、碳酸鹽等常溫穩(wěn)定的螯合物外加沉淀劑、氧化劑適宜的高溫和pH值缺點(diǎn)：難以制復(fù)合氧化物微粉（需金屬配合物穩(wěn)定常數(shù)數(shù)量級(jí)接近）6.反膠束法、微乳法、乳狀液法7.硬模板法8.微波、超聲波法

反膠束膠束水油6.反膠束法、微乳法、乳狀液法7.硬模板法軟模板：表面活性劑有序組合體硬模板：天然的或人工合成的多孔性物質(zhì)作業(yè)：水熱法，溶膠凝膠法，沉淀法，模板法

四、

納米材料的奇異性能納米金屬的熔點(diǎn)比普通金屬低幾百度；氣體在納米材料中的擴(kuò)散速度比在普通材料中快幾千倍；納米磁性材料的磁記錄密度可比普通的磁性材料提高１０倍；納米復(fù)合材料對(duì)光的反射度極低，但對(duì)電磁波的吸收性能極強(qiáng)，是隱形技術(shù)的突破；納米材料顆粒與生物細(xì)胞結(jié)合力很強(qiáng)。

用作發(fā)光二極管、激光二極管，實(shí)現(xiàn)光電集成。中科大功能納米材料研究室1.納米硅發(fā)光奇異性能實(shí)例2.碳納米管多種優(yōu)異性能

碳納米管是由碳原子按一定規(guī)則排列形成的空心籠狀管式結(jié)構(gòu)，其直徑不超過幾十納米（一納米為十億分之一米）。導(dǎo)電性強(qiáng)、場(chǎng)發(fā)射性能優(yōu)良、強(qiáng)度是鋼的100倍、韌度高等，是一種用途廣泛的新材料。

碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。

如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢恕＜{米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。

我國清華大學(xué)—南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心，一直致力于碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān)，是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地。未來的“太空天梯”

莫斯科大學(xué)的研究人員為了弄清納米管的受壓強(qiáng)度，將少量納米管置于29Kpa的水壓下（相當(dāng)于水下18000千米深的壓力）做實(shí)驗(yàn)。不料未加到預(yù)定壓力的1/3，納米管就被壓扁了。他們馬上卸去壓力，它卻像彈簧一樣立即恢復(fù)了原來形狀。應(yīng)用：科學(xué)家得到啟發(fā)，發(fā)明了用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧，用作汽車或火車的減震裝置，可大大減輕車輛的重量。

用碳納米管制成像紙一樣

薄的彈簧納米管做成的“納米秤”

更令人驚奇的是，最近美國、中國、法國和巴西科學(xué)家用精密的電子顯微鏡測(cè)量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以測(cè)出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量?jī)|億分之二百克的單個(gè)病毒的“納米秤”。這種世界上最小的秤，為科學(xué)家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻(xiàn)。碳納米管儲(chǔ)氫

高質(zhì)量的碳納米管能儲(chǔ)存大量氫氣，從而可以實(shí)現(xiàn)用氫氣為燃料驅(qū)動(dòng)無污染汽車。H2碳60的奇異性能

1985年在太空碳分子實(shí)驗(yàn)室中，偶然發(fā)現(xiàn)60個(gè)碳原子組成空心的籠狀結(jié)構(gòu)的碳分子，后來人們發(fā)現(xiàn)石墨碳分子經(jīng)激光、電弧等強(qiáng)高溫加熱，或又在一定的催化劑（鐵基和鎳基）的幫助下，碳原子能形成C60分子。碳60超導(dǎo)體

已經(jīng)試驗(yàn)過往C60中摻雜，引入堿金屬、堿土金屬原子，可以得到各向同性的超導(dǎo)性，制成了有機(jī)超導(dǎo)體。C60作成的分子算盤1996年11月，IBM公司在瑞士蘇黎士研究室工作的物理學(xué)家金澤夫斯基等，想能否用一臺(tái)掃描隧道顯微鏡和一些布基球，制成一個(gè)能計(jì)算的機(jī)器。結(jié)果研究出第一臺(tái)分子算盤，儲(chǔ)存信息容量是常規(guī)電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的10億倍，可能是將來制造出分子般大小的機(jī)器的第一部。移動(dòng)單個(gè)分子或原子的技術(shù)，將是下一代電子元件和開發(fā)納電子集成電路的關(guān)鍵。石墨烯

石墨烯出現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中是在2004年，當(dāng)時(shí)，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們將石墨片薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經(jīng)過5年的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，將石墨烯帶入工業(yè)化生產(chǎn)的領(lǐng)域已為時(shí)不遠(yuǎn)了。

通過粘貼Scotch膠帶的“機(jī)械剝離法”制作石墨烯電子顯微鏡下觀測(cè)的石墨烯片，其碳原子間距僅0.14納米

英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家科斯提亞?諾沃謝夫和安德烈?蓋姆因?yàn)槭紫劝l(fā)現(xiàn)石墨烯獲得2010年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

韓國成均館大學(xué)和三星公司的研究人員已經(jīng)制造出由多層石墨烯和聚酯片基底組成的透明可彎曲顯示屏。

石墨烯的材質(zhì)優(yōu)點(diǎn)總結(jié)：其導(dǎo)電性能比銅還好幾倍；堅(jiān)硬比鋼鐵大10倍而且極輕，由此可見可用于飛機(jī)制造來減少重量與避彈衣制造。

石墨烯的應(yīng)用前景：太空電梯纜線、替代硅生產(chǎn)超級(jí)計(jì)算機(jī)、光子傳感器、液晶顯示材料、新一代太陽能電池等領(lǐng)域。瑞典和美國的科學(xué)家使用神奇的石墨烯材料的發(fā)光面板，總有一天也許會(huì)讓基本的燈泡變成多余的。

薄得像紙一樣的iPhone概念手機(jī)催化活性增強(qiáng)

以粒徑小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機(jī)物氫化的效率提高到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍。五、納米科技前景的展望1．材料和制備2．微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)3．環(huán)境和能源4．醫(yī)學(xué)與健康5．生物技術(shù)6．航天和航空7．國家安全1．材料和制備

在納米尺度上，通過精確地控制尺寸和成分來合成材料單元，制備更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)的材料，同時(shí)具有長壽命和低維修費(fèi)用的特點(diǎn)；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。實(shí)現(xiàn)材料破壞過程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)。2．微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)

納米結(jié)構(gòu)微處理器的效率提高1兆倍，并實(shí)現(xiàn)太比特的存儲(chǔ)器(提高1000倍)；研制集成納米傳感器系統(tǒng)。分子計(jì)算3．環(huán)境和能源

發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境；制備孔徑lnm的納孔材料作為催化劑的載體，有序納米孔材料和納米膜材料(孔徑l0~l00nm)用來消除水和空氣中的污染；成倍的提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。4．醫(yī)學(xué)與健康

納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)帶來變革：納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織；在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排斥反應(yīng)；研究耐用的與人體友好的人工組織、器官復(fù)明和復(fù)聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)。5．生物技術(shù)

在納米尺度上按照預(yù)定的對(duì)稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等；在納米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能；生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料；動(dòng)植物的基因改善和治療，測(cè)定DNA的基因芯片等。6．航天和航空

納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)倍的降低。這方面的研究?jī)?nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī)；微型航天器用納米集成的測(cè)試、控制電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。間諜衛(wèi)星7．國家安全

擁有納米技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和廣泛應(yīng)用這些技術(shù)的國家，將在國家經(jīng)濟(jì)安全和國防安全方面處于有利地位。先進(jìn)的納米電子器件在信息控制方面的應(yīng)用；通過納米機(jī)械學(xué)，微小機(jī)器人的應(yīng)用將提高部隊(duì)的靈活性和增加戰(zhàn)斗的有效性；用納米和微米機(jī)械設(shè)備控制，國家核防衛(wèi)系統(tǒng)的性能將大幅度提高；通過納米材料技術(shù)的應(yīng)用，可使武器裝備的耐腐蝕、吸波性和隱蔽性大大提高，可用于艦船、潛艇和戰(zhàn)斗機(jī)等。8、納米武器稱雄未來戰(zhàn)場(chǎng)

間諜草機(jī)器蒼蠅蚊子導(dǎo)彈螞蟻士兵麻雀衛(wèi)星“間諜草”

這是一種看似小草的微型探測(cè)器，其內(nèi)裝有敏感的超微電子偵察儀器、照相機(jī)和感應(yīng)器，可偵測(cè)出百米以外的坦克、車輛等出動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的震動(dòng)和聲音，能自動(dòng)定位、定向和進(jìn)行移動(dòng)，繞過各種障礙物?！皺C(jī)器蒼蠅”

它既能被飛機(jī)、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敵軍信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)附近，大批“機(jī)器蒼蠅”可在某地區(qū)形成高效偵察監(jiān)視網(wǎng)，大大提高戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取量。如果再在它們身上安裝某種極小的彈頭，“蒼蠅”無疑會(huì)變成“馬蜂”?！拔米訉?dǎo)彈”

利用納米技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈，可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能。納米導(dǎo)彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部，其威力足以炸毀敵方火炮．坦克、飛機(jī)、指揮部和彈藥庫?！拔浵伿勘?/p>

這是一種通過聲波控制的微型機(jī)器人。這些機(jī)器人比螞蟻還要小，但具有驚人的破壞力。Teleoperatedorautonomous

它們可以通過各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中，長期潛伏下來。一旦啟用，這些“納米士兵”就會(huì)各顯神通，有的專門破壞敵方電子設(shè)備，使其短路、毀壞；有的充當(dāng)爆破手，用特種炸藥引爆目標(biāo)；有的施放各種化學(xué)制劑，使敵方金屬變脆、油料凝結(jié)或使敵方人員神經(jīng)麻痹、失去戰(zhàn)斗力?！奥槿感l(wèi)星”

質(zhì)量不足10千克，各種部件全部用納米材料制造，一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆。若在太陽同步軌道上等間隔地部署648顆功能不同的“麻雀衛(wèi)星”，就可以保證在任何時(shí)刻對(duì)地球上任何一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，即使少數(shù)失靈，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作也不會(huì)受影響。六、納米技術(shù)與生活納米農(nóng)用陶瓷浸種器具有吸收遠(yuǎn)紅外線的功能，可使大水分子團(tuán)產(chǎn)生共振分解成小水分子。小水分子帶有大量動(dòng)能，速度快，滲透力比普通水強(qiáng)30％以上，容易進(jìn)入生物體內(nèi)，不斷撞擊生物體細(xì)胞，促進(jìn)新陳代謝，增強(qiáng)抗病性，達(dá)到增產(chǎn)目的。種植專用納米863生物助長器納米技術(shù)可給人們帶來健康食品。膽固醇含量過高會(huì)導(dǎo)致人體動(dòng)脈硬化；在食品中加入植物固醇，如果能在大腸中被吸收，膽固醇吸收量便會(huì)減少。植物固醇難以溶解，很難吸收；用納米技術(shù)將植物固醇制成微粒，在一定的溫度下將微粒均勻分散于植物脂肪中，可大大增強(qiáng)人體對(duì)植物固醇的吸收和利用。植物固醇納米技術(shù)可以帶來新食品。納米技術(shù)可將纖維素粉碎成單糖、葡萄糖和纖維二糖等，使地球上豐富的有機(jī)物成為可利用的營養(yǎng)物質(zhì)。利用納米技術(shù)，只要操縱DNA鏈上少數(shù)幾種核苷酸甚至改變幾個(gè)原子的排列，就可培養(yǎng)出新的基因食品。納米破壁花粉轉(zhuǎn)基因食品納米材料促使抗菌服裝出現(xiàn)。服裝會(huì)沾染汗液、皮脂及其他分泌物，同時(shí)也粘附環(huán)境中的污物。這些污物是各種微生物的營養(yǎng)源，病菌在服裝上不斷繁殖，使污物產(chǎn)生臭味，導(dǎo)致皮炎及其他疾病。把納米材料加到色漿中，通過織物與染料的結(jié)合，使抗菌劑牢固附著在織物上，得到抗菌服裝、抗菌毛巾、棉被、枕巾等織物。

抗菌襯衣和領(lǐng)帶納米抗菌防靜電面料納米毛巾：納米毛巾纖維細(xì)度僅為頭發(fā)絲的1/200，超細(xì)、超柔軟、超長壽命。是納米級(jí)的高科技產(chǎn)品。是時(shí)尚的更新?lián)Q代性清潔日用品。納米毛巾的六大顯著特點(diǎn)：高吸水性（比普通毛巾多吸水30%）、去污強(qiáng)（能清潔皮膚毛孔，可代替洗面奶產(chǎn)品）、易洗滌、不脫色、不落毛、長壽命。納米毛巾日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2放入化纖中，使其具有除臭功能，廣泛用于制造繃帶、手術(shù)服、護(hù)士服，還可用于內(nèi)衣、外裝等，有效預(yù)防和杜絕人與人之間、人與物之間的交叉感染。用對(duì)人體紅外線有很強(qiáng)吸收作用的納米微粒添加到衣服纖維中，可提高衣服保暖效果，制成保暖內(nèi)衣，同時(shí)還有抑菌和殺菌的效果。保暖內(nèi)衣在水泥配料中加入部分收集的納微米級(jí)粉塵，經(jīng)均勻分散后，水泥燒成溫度降低，還有利于改善水泥性能，提高水泥強(qiáng)度、耐久性等一系列指標(biāo)?？刂婆淞?，還可獲得一系列新品種水泥，如彈性水泥、延性水泥、太陽能水泥、遠(yuǎn)紅外水泥、環(huán)境友好水泥等。超細(xì)水泥新裝修的房間內(nèi)空氣中有機(jī)物濃度很高，從中可檢測(cè)出幾百種有機(jī)物，最主要的是甲醛、甲苯等對(duì)人體有害和致癌物。納米材料可降解空氣中的有害有機(jī)物，其中納米TiO2的降解效果最好，可達(dá)到100％。降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。TiO2噴霧劑降解室內(nèi)甲醛

HCHOgermC6H6Sungeneralnano-TiO2

Wo~~，energyisnotenough！ultravioletradiation

5%!!!涂料可以美化居室，但是傳統(tǒng)材料由于耐洗刷性差，時(shí)間不長，墻壁就變得斑駁陸離。納米技術(shù)的應(yīng)用，使涂料的許多指標(biāo)都大幅度提高。外墻涂料的耐洗刷性就可以由原來的一千多次提高到一萬多次，壽命也延長了兩倍多。玻璃和瓷磚表面圖上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，任何粘在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌等，在光的照射下，由于納米的催化作用，可以變成氣體或很容易被擦掉的物質(zhì)。新型納米涂料-液體壁紙納米涂炭材料洗衣機(jī)內(nèi)部的環(huán)境非常潮濕，閑置幾天就會(huì)滋生大量細(xì)菌。使用時(shí)間越長，細(xì)菌滋生越多，對(duì)衣物污染就越嚴(yán)重。長期使用這種洗衣機(jī)洗衣服，就有可能產(chǎn)生交叉感染，引發(fā)各種皮膚病。納米銀復(fù)合材料洗衣機(jī)外筒，能增加韌性，具有耐摩擦、耐沖擊的特點(diǎn)，還有很強(qiáng)的防垢能力，阻止污垢在桶壁沉積，保持洗衣機(jī)自身清潔。小鴨納米洗衣機(jī)納米空調(diào)借助納米材料的抗菌效果，大腸桿菌殺滅率大于95％，金黃色葡萄球菌殺滅率大于95％，甲琉醛、乙硫醛的清除率可達(dá)98%。納米冰箱是將其經(jīng)常與人體和食物接觸的部件都加入納米抗菌成分(如托盤、擱物架、抽屜、蛋盒、門把手等)，可有效預(yù)防和杜絕細(xì)菌在冰箱表面存留，而且不沾染污垢?？照{(diào)中的抗菌裝置納米抗菌冰箱69％的電能轉(zhuǎn)化為紅外線，僅少部分轉(zhuǎn)化為光能。如何提高發(fā)光率，增加照明度一直是急需解決的問題。人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成多層干涉膜，襯在燈泡內(nèi)壁，不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外反射能力。這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí)，可省電15％。高壓鈉燈探照燈生物波納米水杯：經(jīng)過了生物波納米技術(shù)處理，一個(gè)看上去普普通通的水杯，如果倒入飲用水可以讓水分子變得更小，更容易被人體吸收，可改善血液循環(huán)，而倒入牛奶則可以分解乳糖，倒入茶水可減少茶的澀味。

我們平時(shí)喝的水，一半都是大分子團(tuán)水，活性較差，經(jīng)過生物波納米杯作用，可以促使水分子之間的締結(jié)斷裂，形成小分子團(tuán)水，使水具有強(qiáng)滲透力、強(qiáng)溶解力，增強(qiáng)含氧量，更容易被人體細(xì)胞吸收，有“活水”之稱。而長期飲用這種水可以改善血液循環(huán)和微循環(huán)，促進(jìn)新陳代謝，在一定程度上有利于調(diào)節(jié)腸胃功能、緩解便秘。瑞士發(fā)現(xiàn)手機(jī)等移動(dòng)通信裝置產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)人的腦電流有明顯的干擾；德國發(fā)現(xiàn)手機(jī)產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)會(huì)造成人體血管的收縮，導(dǎo)致人體血壓升高，持續(xù)35分鐘的射頻電磁場(chǎng)輻射使血壓平均升高5-10mmHg。手機(jī)電磁場(chǎng)還有可能引發(fā)使用者一系列健康問題或疾病，如疲勞、暈眩、嘔吐、頭疼，甚至導(dǎo)致老年癡呆癥、腦癌及其他癌癥。香港科技大學(xué)研制成功一種對(duì)手機(jī)發(fā)出的微波有50％以上吸收率的納米薄膜，而且電磁輻射的頻率越高，薄膜的吸收能力越強(qiáng)。這無疑給手機(jī)的制造商和使用者都帶來福音。手機(jī)防輻射薄膜NokiaMorph納米概念手機(jī)Nokia和劍橋大學(xué)聯(lián)合推出了這款具有納米技術(shù)的概念手機(jī)Morph（中文直譯變種）。Morph極具柔韌性，可以任意彎曲變形，還具有表面自動(dòng)清潔以及完全透明的電路設(shè)計(jì)，采用全屏幕顯示，可以折疊，也可以彎曲成為一個(gè)手鐲當(dāng)飾品佩戴，同時(shí)無線耳機(jī)佩戴在衣服上便于行動(dòng)中接聽電話。NokiaMorph納米概念機(jī)探索的是未來納米技術(shù)（材料特性）給個(gè)人移動(dòng)終端帶來的潛在創(chuàng)新。

第三節(jié)膠體晶體由一種或多種單分散膠體粒子組裝并規(guī)整排列的二維或三維有序結(jié)構(gòu)稱為膠體晶體。蛋白石：?jiǎn)畏稚iO2球形粒子密堆積而成的膠體晶體作光子晶體有序結(jié)構(gòu)用于晶體行為的研究可據(jù)環(huán)境變色的

光子凝膠光子開關(guān)

（2007，IBM）光子墨水實(shí)現(xiàn)彩色電子紙

（2008，Philips）折射率周期性變化應(yīng)用作模型體系

膠體晶體模板法合成三維有序大孔結(jié)構(gòu)作模板toprepare:有序大孔材料、有序納米結(jié)構(gòu)激光全息光刻法雙光子聚合法膠體粒子法操作簡(jiǎn)易成本低廉可以大尺寸制備樣品（即，將單分散膠體粒子組裝）應(yīng)用廣泛雙光子聚合制作的微齒輪、光柵制備簡(jiǎn)單自組裝二元晶體晶體組裝模板法自組裝到目前為止

人為制造晶體缺陷的

最簡(jiǎn)便方法一、膠體粒子的簡(jiǎn)單自組裝沉降法蒸發(fā)誘導(dǎo)狹縫過濾外電場(chǎng)法靜電力法加速：過濾沉降、離心沉降改善：振蕩剪切、超聲擾動(dòng)結(jié)晶質(zhì)量差2008年2007年2003年2002年2000年1999年1999年以前15-30分鐘1-2小時(shí)7-8小時(shí)3-4天~1月重力沉積法等垂直沉積法協(xié)同自組裝法等溫加熱生長法(IHEISA)雙參數(shù)沉積法PCIHVDmethod三參數(shù)協(xié)同自組裝法IR-assistedCSA溫度梯度法、攪動(dòng)法、減壓法等膠體晶體自組裝發(fā)展歷程（指向右上方箭頭表示隨方法改進(jìn)生長時(shí)間縮短）

二維膠體晶體的典型制備方法a氣液界面組裝法b蒸發(fā)誘導(dǎo)法c電泳沉積法膠體晶體自組裝排列進(jìn)展.化學(xué)進(jìn)展.2004,16(3)

（p324“五、其它類型的方法...”）二、模板法自組裝硬模板自組裝硬質(zhì)聚合物基片蝕刻圖案為模板

圖案化表面模板法組裝復(fù)雜膠體晶體結(jié)構(gòu)先在聚合物基片上用電子束刻蝕出按面心立方面排列的直徑與膠體粒子直徑接近的孔，然后在此圖案上用沉降法自組裝膠體粒子，最后得到面心立方膠體晶體的晶格常數(shù)與刻蝕圖案一致辭。軟模板自組裝

吸附于液滴表面乳狀液液滴為模板b.被包覆于液滴內(nèi)離心分離液滴內(nèi)液體蒸發(fā)，得球形緊密結(jié)構(gòu)乳狀液模板法組裝球殼狀膠體晶體結(jié)構(gòu)a.移至反相干燥,得膠囊反相：與原乳狀液連續(xù)相不相混溶的液體AVersatileBottom-upAssemblyApproachtoColloidalSpheresfromNanocrystalsEBS：emulsion-basedbottomupself-assembly是一種普適性非常強(qiáng)的三維膠體微球超結(jié)構(gòu)的制備方法

目前已成功用于多種組成（金屬、硫化物、氧化物等）、維度（零維、一維、二維結(jié)構(gòu)單元）和尺寸（1-100nm）的單分散納米晶，最終得到三維膠體球表面被SDS包裹可以穩(wěn)定分散于水相中，并且膠體球的尺寸、表面性質(zhì)以及內(nèi)部粒子的有序性可以通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)加以調(diào)控。

制復(fù)雜膠體三、二元膠體晶體組裝二元膠體晶體：兩種不同的膠體粒子有序組裝而成的膠體晶體。不同的膠體晶體：可以是化學(xué)組成相同僅大小不同，也可以是化學(xué)組成、大小、形狀等均不相同的粒子。SLS01光子晶體02傳感器0304制備有序二維納米結(jié)構(gòu)模板功能制備有序大孔材料的模板功能四、膠體晶體的應(yīng)用一定頻率范圍的光將因受到強(qiáng)烈的布拉格衍射而不能透過膠體晶體?？勺鳛楣忾_關(guān)材料對(duì)pH、溫度、生物分子、離子等產(chǎn)生顏色響應(yīng)的光子晶體傳感器。東大顧忠澤教授以膠體晶體為模板，在膠體粒子間隙中填充另一種材料，去除模板，可得與模板結(jié)構(gòu)相反的三維有序大孔材料。以二維膠體晶體作為膠體刻蝕技術(shù)的掩模，進(jìn)一步利用沉積技術(shù)，在膠體晶體與基底之間的空隙處生長特定物質(zhì)，制備相應(yīng)的圖案化陣列。第一章溶膠與納米粒子的制備01固體分散相粒子要足夠小，使其有一定的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。0203一、溶膠制備的一般原則與方法溶膠（sol）通常是指分散相粒子很小（一般小于100nm，也有人限定為1μm）的固液分散體系。分散相在分散介質(zhì)中的溶解度要足夠小，形成分散相的反應(yīng)物濃度低。為了使分散相粒子具有抗聚結(jié)而保持穩(wěn)定的性質(zhì)，必須在體系中有第三種物質(zhì)存在。作用是使粒子表面形成保護(hù)層溶膠的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散層

當(dāng)用等體積的0.08mol/LAgNO3+0.1mol/LKBr溶液制備AgBr溶膠，其膠團(tuán)結(jié)構(gòu)表達(dá)式為

,請(qǐng)標(biāo)出膠核，膠粒，膠團(tuán)。制備溶膠的方法：分散法和凝聚法分散法：以各種物理的或化學(xué)的方法將大的顆粒分散成小的分散相膠體粒子。凝聚法：將溶于介質(zhì)中的某些分子或離子聚集成不溶于介質(zhì)的膠體粒子。比較：分散法使分散相比面表急劇增