第一篇：納米材料在電池中的應用(一)要點

納米材料在電池中的應用(一)

納米材料的小孔徑效應和表面效應與化學電源中的活性材料非常相關,作為電極的活性材料納米化后,表面增大,電流密度會降低,極化減小,導致電容量增大,從而具有更良好的電化學活性。特別是最富特征的一維納米材料———納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學貯能材料和高性能復合材料等方面的研究已取得了重大突破,因而開辟了全新的科學研究領域。堿性鋅錳電池材料 1 1 納米級γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應法合成制得納米級γ ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發現純度不佳,但與ＥＭＤ以最佳配比混合,可大大提高第2電子當量的放電容量,也就是可出現混配效應。若制得的納米γ ＭｎＯ2純度高時,本身的放電容量即優于ＥＭＤ。2 摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2,采用納米級和微米級改性摻Ｂｉ ＭｎＯ2混配的方法,放電容量都有不同程度的提高,并且存在一個最佳配比。通過摻Ｂｉ在充放電過程中形成一系列不同價態的Ｂｉ Ｍｎ復合物的共還原和共氧化,有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成,可極大地改善電極的可充性。3 納米級α-ＭｎＯ2 采用固相反應法合成不含雜質陽離子的納米α ＭｎＯ2,粒徑小于50ｎｍ,其電化學活性較高,放電容量比常規粒徑ＥＭＤ更大,尤其適于重負荷放電,表現出良好的去極化性能,具有一定的開發和應用潛力。4 納米級ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ,以抑制鋅負極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻,越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國已應用于醫藥等方面。由于堿錳電池朝著無汞化發展,采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應用的關鍵是要注意納米ＺｎＯ材料的表面改性問題。5 納米級Ｉｎ2Ｏ3 Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無機代汞緩蝕劑的選擇之一,目前已開發并生產出無汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3,該材料具有比表面積大,分散性好,緩蝕效果更佳的特點,應用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產生的作用。在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應用 2 1 納米級Ｎｉ(ＯＨ)2

周震等人用沉淀轉化法制備了納米級Ｎｉ(ＯＨ)2,并發現納米級Ｎｉ(ＯＨ)2比微米級Ｎｉ(ＯＨ)2具有更高的電化學反應可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學氧化還原過程中極化較小,充電效率高,活性物質利用更充分,而且顯示出放電電位較高的特點。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ(ＯＨ)2,粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小,并且所制得的納米材料呈球型或橢球形,適用于某些對顆粒狀有特殊要求的場合,如作為氫氧化鎳電極的添加劑,按一定比例摻雜,可使Ｎｉ(ＯＨ)2的利用率顯著提高,尤其當放電電流較大時,利用率可提高12%。2 納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5[6],平均粒徑約20ｎｍ,采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比,具有相當的放電容量,更好的活化特性,但其循環壽命較短。鋰離子電池材料 1 陰極材料———納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2,放電容量為103ｍＡｈ/ｇ,充電容量為109ｍＡｈ/ｇ,長平臺在3 9Ｖ處,有明顯提高放電平臺的效果,循環穩定性也大為提高,但未見有混配效應。低熱固相反應法合成納米ＬｉＣｏＯ2,發現了混配效應:以一定比例與常規ＬｉＣｏＯ2進行混配,做成電池測試,充電容量可達132ｍＡｈ/ｇ,放電容量為125ｍＡｈ/ｇ,放電平臺在3 9Ｖ,由于納米顆粒增大了比表面積,令Ｌｉ+更易嵌入和脫出,削弱了極化現象,循環性能比常規ＬｉＣｏＯ2明顯提高,顯示出較好的性能。2 納米陽極材料

中國科學院成都有機化學研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0 34ｎｍ,略大于石墨的層間距0 335ｎｍ,這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出,它特殊的圓筒狀構型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內壁兩方面嵌入,而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負極材料的損壞。實驗表明,用該材料作為添加劑或單獨用作鋰離子電池的負極材料均可顯著提高負極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩定性。中國科學院金屬研究所等用有機物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極,比容量可達到1100ｍＡｈ/ｇ,且循環性能穩定。香港科技大學用多孔的沸石晶體作載體,首次成功研制出尺寸最小,全球最細且排列規整的0 4ｎｍ單壁納米碳管,繼而又發現在超導溫度15℃以下呈現出特殊的一維超導特性。電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復合電源系統引起了人們的濃厚興趣,特別是環保電動汽車研究的興起,這種復合電源系統可在汽車啟動、爬坡、剎車時提供大功率電源,因而可以降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求,大大延長蓄電池循環使用壽命,從而提高電動汽車的實用性。近年來以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應用,為更高性能的電化學超級電容器的研究開辟了新的途徑。清華大學用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料,再采用添加粘結劑或高溫熱壓的工藝手段制備碳納米管固體電極,通過適當的表面處理,制得的碳納米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復合電極制備雙電層法拉第電容器,在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時,電容量可達20Ｆ/ｇ左右。清華大學已經制備出電容量達100Ｆ的實驗室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結構上,納米碳管是目前最理想的超級電容器材料。結束語

ａ 材料的先進性必然會推動電池的先進性,因此納米材料技術在電化學領域具有十分廣闊的前景,不僅可使傳統的電池性能達到一個新的高度,更有望開發出新型的電源。

ｂ 由于納米材料的研究目前大多處于實驗室階段,因此如何制得粒徑可控的納米顆粒,解決這些顆粒在貯存和運輸過程中的團聚問題,簡化合成方法,降低成本,是今后實用化應注意的問題。

ｃ 納米材料技術在電池中應用時,應注意相關工藝的匹配,并綜合考慮成本,如利用材料的混配效應,而不能僅僅是材料取代的簡單考慮。

第二篇：淺談納米材料在電池中的應用

淺談納米材料在電池中的應用

[論文關鍵詞]：納米材料 電池 復合材料

[論文摘要]：納米材料的小孔徑效應和表面效應與化學電源中的活性材料非常相關，作為電極的活性材料納米化后，表面增大，電流密度會降低，極化減小，導致電容量增大，從而具有更良好的電化學活性。特別是最富特征的一維納米材料納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學貯能材料和高性能復合材料等方面的研究已取得了重大突破，因而開辟了全新的科學研究領域。

一、堿性鋅錳電池材料

（一）納米級γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應法合成制得納米級γ-ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發現純度不佳，但與ＥＭＤ以最佳配比混合，可大大提高第2電子當量的放電容量，也就是可出現混配效應。若制得的納米γ-ＭｎＯ2純度高時，本身的放電容量即優于ＥＭＤ。

（二）摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2，采用納米級和微米級改性摻Ｂｉ、ＭｎＯ2混配的方法，放電容量都有不同程度的提高，并且存在一個最佳配比。通過摻Ｂｉ在充放電過程中形成一系列不同價態的Ｂｉ、Ｍｎ復合物的共還原和共氧化，有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成，可極大地改善電極的可充性。

（三）納米級α-ＭｎＯ2

采用固相反應法合成不含雜質陽離子的納米αＭｎＯ2，粒徑小于50nｍ，其電化學活性較高，放電容量比常規粒徑ＥＭＤ更大，尤其適于重負荷放電，表現出良好的去極化性能，具有一定的開發和應用潛力。

（四）納米級ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ，以抑制鋅負極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻，越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國已應用于醫藥等方面。由于堿錳電池朝著無汞化發展，采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應用的關鍵是要注意納米

ＺｎＯ材料的表面改性問題。

（五）納米級Ｉｎ2Ｏ3

Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無機代汞緩蝕劑的選擇之一，目前已開發并生產出無汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3，該材料具有比表面積大，分散性好，緩蝕效果更佳的特點，應用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產生的作用。

二、在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應用

（一）納米級Ｎｉ（ＯＨ）2

有人用沉淀轉化法制備了納米級Ｎｉ（ＯＨ）2，并發現納米級Ｎｉ（ＯＨ）2比微米級Ｎｉ（ＯＨ）2具有更高的電化學反應可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學氧化還原過程中極化較小，充電效率高，活性物質利用更充分，而且顯示出放電電位較高的特點。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ（ＯＨ）2，粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小，并且所制得的納米材料呈球型或橢球形，適用于某些對顆粒狀有特殊要求的場合，如作為氫氧化鎳電極的添加劑，按一定比例摻雜，可使Ｎｉ（ＯＨ）2的利用率顯著提高，尤其當放電電流較大時，利用率可提高12%。

（二）納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5，平均粒徑約20ｎｍ，采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比，具有相當的放電容量，更好的活化特性，但其循環壽命較短。

三、鋰離子電池材料

（一）陰極材料納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2，放電容量為103ｍＡｈ/ｇ，充電容量為109ｍＡｈ/ｇ，長平臺在39Ｖ處，有明顯提高放電平臺的效果，循環穩定性也大為提高，但未見有混配效應。低熱固相反應法合成納米ＬｉＣｏＯ2，發現了混配效應:以一定比例與常規ＬｉＣｏＯ2進行混配，做成電池測試，充電容量可達132ｍＡｈ/ｇ，放電容量為125ｍＡｈ/ｇ，放電平臺在39Ｖ，由于納米顆粒增大了比表面積，令Ｌｉ+更易嵌入和脫出，削弱了極化現象，循環性能比常規ＬｉＣｏＯ2明顯提高，顯示出較好的性能。

（二）納米陽極材料

中國科學院成都有機化學研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0.34ｎｍ，略大于石墨的層間距0.335ｎｍ，這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出，它特殊的圓筒狀構型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內壁兩方面嵌入，而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負極材料的損壞。實驗表明，用該材料作為添加劑或單獨用作鋰離子電池的負極材料均可顯著提高負極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩定性。中國科學院金屬研究所等用有機物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極，比容量可達到1100ｍＡｈ/ｇ，且循環性能穩定。香港科技大學用多孔的沸石晶體作載體，首次成功研制出尺寸最小，全球最細且排列規整的0.4nｍ單壁納米碳管，繼而又發現在超導溫度15℃以下呈現出特殊的一維超導特性。

四、電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復合電源系統引起了人們的濃厚興趣，特別是環保電動汽車研究的興起，這種復合電源系統可在汽車啟動、爬坡、剎車時提供大功率電源，因而可以降低電動車輛對蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長蓄電池循環使用壽命，從而提高電動汽車的實用性。近年來以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應用，為更高性能的電化學超級電容器的研究開辟了新的途徑。清華大學用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料，再采用添加粘結劑或高溫熱壓的工藝手段制備碳納米管固體電極，通過適當的表面處理，制得的碳納米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復合電極制備雙電層法拉第電容器，在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時，電容量可達20Ｆ/ｇ左右。清華大學已經制備出電容量達100Ｆ的實驗室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結構上，納米碳管是目前最理想的超級電容器材料。

五、結束語

首先，材料的先進性必然會推動電池的先進性，因此納米材料技術在電化學領域具有十分廣闊的前景，不僅可使傳統的電池性能達到一個新的高度，更有望開發出新型的電源。其次，由于納米材料的研究目前大多處于實驗室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運輸過程中的團聚問題，簡化合成方法，降低成本，是今后實用化應注意的問題。再次，納米材料技術在電池中應用時，應注意相關工藝的匹配，并綜合考慮成本，如利用材料的混配效應，而不能僅僅是材料取代的簡單考慮。

第三篇：碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應用和性能研究

碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應用和性能研究

作 者：**

（電子工程學院、集成電路0701）

指導教師：**(西安郵電學院、講師)摘要：

染料敏化太陽能電池(DSSC)是新一代的光電池，有著極大的應用前景。本文在查閱大量DSSC相關資料的基礎上，介紹了染料敏化太陽能電池的基本結構、工作原理；采用傳統的半導體工藝、絲網印刷和電泳沉積等多種技術，設計制備出碳基薄膜對電極的染料敏化納米晶TiO2太陽能電池。另外，做出了工作總結并展望染料敏化電池的發展。具體的內容如下：

1、采用Protel軟件設計出染料敏化太陽能電池的基本結構，繪制出光繪片；

2、利用半導體工藝中的勻膠、曝光、顯影和刻蝕等技術，在ITO玻璃上制備出染料敏化太陽能電池的電極；

3、采用超生波分散技術制備出TiO2漿料，并利用絲網印刷技術印刷TiO2漿料，經燒結后形成染料敏化太陽能電池的光陽極。

4、采用電泳沉積技術在光陰極玻璃電極上電鍍碳基薄膜，采用金相顯微鏡對TiO2膜和碳薄膜進行表征。

5、采用熱封膜對電池組件進行封裝，并利用微量進樣器注入電解液。

6、在太陽能模擬光源的條件下，用萬用表進行電池測試。

7、分析表征圖像和測試數據。

關鍵詞：太陽能電池，納米TiO2薄膜，染料敏化，碳對電極

Author: Chen Xin(Electronic Engineering,IC design and intergration system,grade 2007,class 01)

Faculty adviser:Shang Shi-guang Xi’an University of Post and Telecommunications,lectuer

Abstract Dye-sensitized Solar Cells(DSSC)are the next generation solar cells with great application prospect.In this paper, based on the relative reference of dye-sensitized solar cells, the structure and working principle of dye-sensitized solar cell are described.The design and preparation of dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells with carbon-based films were completed by conventional semiconductor process, screen printing and electrophoretic deposition technology.In addition, a summary of the work and the development prospect of dye sensitized solar cells were proposed.The main contents are as following:

1.Designing the basic structure of dye-sensitized solar cell by the software protel 99 SE, and gerbering drawn film.2.Preparing the electrodes a dye-sensitized photovoltaic solar cell on ITO glasses by semiconductor technologies, such as spin coating, exposure, development and etching.3.The use of ultrasonic wave dispersion TiO2 slurry prepared and printed by screen printing technique TiO2 film formed by sintering the photoelectric dye-sensitized solar pole.4.Plating carbon film on the photocathode glass by electrophoretic deposition technology, and characterizing TiO2 film and carbon film by optical microscope.5.Using sealing flim to package the solar cell and injecting the electrolyte solution by micro-injector.6.Testing the solar cells with multimeter under simulated solar light condition.7.Analyzing images and test data.Keywords:Solar Cells, Nano TiO2 film, Dye-sensitization, Carbon counter electrode 1 染料敏化太陽能電池簡介

染料敏化太陽能電池（Dye-sensitized Solar Cells，DSSC電池)是一種電化學太陽電池,但與常規的電化學太陽電池相比,在半導體電極與染料上有很大的改 進。

1.1 DSSC 電池結構

DSSC電池具有類似三明治的結構(如圖1-l所示)，主要由導電膜、導電玻璃、納米晶半導體多孔膜(如TiO2，ZnO，Nb2O5，SnO2等一些列寬禁帶半導體材料)、染料光敏化劑、電解質(I-/I3-)和對電極（也叫反電極或光陰極）等組成。導電玻璃厚度一般為3mm，表面上鍍有一層0.5~0.7μm厚的摻F的SnO2膜或氧化銦錫(ITO)膜[1]。

圖1-1：染料敏化太陽能電池的組成結構[2]

1.2 DSSC 電池工作原理

光敏染料分子吸收太陽光躍遷至激發態，處于激發態的染料向半導體的導帶內注入電子借以實現電荷分離，是光電化學電池的基本原理。最具代表性的染料敏化太陽能電池是Grazel電池，工作原理如圖1-2所示。在該類裝置中，納米TiO2不僅作為光敏染料的支持劑，而且作為電子的受體和導體。TiO2是一種寬禁帶的n 型半導體，其禁帶寬度為3.2eV，而且只能吸收波長小于375nm的紫外光，可見光卻不能將它激發，需要對它進行一定的敏化處理，即在TiO2表面吸附染料光敏劑，這樣在可見光的作用下染料分子吸收太陽光能，使躍遷至激發態，處于激發態的電子不穩定，會很快地進入較低能級的TiO2導帶，從而有效地產生電子-空穴對。

圖1-2：染料敏化太陽能電池工作原理圖[1]

光電轉換機理[3]：(1)太陽光照射到電池上，基態染料分子(S)吸收太陽光能量被激發，染料分子中的電子受激躍遷到激發態(S*)；(2)激發態的電子快速注入到TiO2導帶中；(3)電子在TiO2 膜中迅速傳輸，在導電基片上富集，并通過外電路流向對電極；(4)在對電極附近，電解質溶液得到電子而還原；(5)處于氧化態的染料分子(S+)與電解質(I-/I3-)溶液中的電子供體(I-)發生氧化還原反應而回到基態，染料分子得以再生。碳基薄膜染料敏化太陽能電池的制備工藝

2.1 掩模光繪片設計

本實驗采用Protel99SE軟件進行掩膜板的繪制，制成的光繪片如圖2-1所示：

圖2-1(a)總體圖形

圖2-1(b)：實物光繪片（左圖為光陽極，右圖為對電極）2.2 光陽極制備（1）光陽極電極制備

利用繪制好的光繪片，采用微電子工藝在ITO導電玻璃上進行涂膠、光刻、刻蝕，制備出 DSSC 電池的圖形化的導電基底。

制備步驟為：a.利用玻璃切割機切割出尺寸為20mm?25mm 長方形玻璃；b.采用KW-5型號勻膠機涂膠，轉速Ⅰ700轉/分鐘（時間18s），轉速Ⅱ2500轉/分鐘（時間25s），前烘時間12~15min；c.采用型號為 JKG-2A光刻機曝光，曝光時間22s，顯影45s，定影30s，堅膜時間為45min，溫度為140℃；d.配制35ml HCL：H2O：HNO3=4：2：1（HCl濃度36.5%~37.5%，HNO3濃度70%）的混合溶液，在45℃ 水浴中去除ITO，再用NaOH溶液去除多余的膠。（2）光陽極TiO2 膜制備

本實驗用溶膠-凝膠法制納米二氧化鈦，再用絲網印刷法印刷出TiO2薄膜。印刷完成后，在室溫干燥10min，在50℃下處理15 min，再以20-50℃/ min 的速率升溫至250℃燒結，恒溫2h。（3）染料敏化TiO2 膜

本實驗使用標準染料DHS-N719。

染料敏化液的配制：0.2-0.3 M的乙腈與叔丁醇（試劑如圖3-16）進行體積比為1:1的配置(乙腈與叔丁醇各10mL)作為溶劑，或者用乙醇溶液將作為溶劑。然后將7.2mg染料固體溶解在20mL溶劑中，等溶液均勻即可。

將已經做好TiO2薄膜的玻璃放入容器中，加入染料敏化液，密封、避光，浸泡12h-24h 后取出，取出后用酒精溶液沖洗一下多余的染料浮液。2.3 光陰極制備（1）光陰極電極制備

光陰極電極的制備工藝與光陽極的是相同的，只是在曝光的時候用的是陰極的光繪片。當陰極圖形刻蝕完成后，在進行碳薄膜制備前要在有電極的上邊緣打一個小孔，以便于注入電解液。（2）光陰極碳基薄膜制備

傳統的碳納米管薄膜加工方法包括[4]：化學氣相沉積(CVD)、絲網印刷、吸附、燒結、電泳等。CVD方法的加工過程需要高真空、高溫，對生長碳納米管的基底有很高的要求，并且引入了不易去除的金屬催化劑；絲網印刷方法引入了有機添加劑，薄膜厚度、均勻度不易控制，且碳納米管和基底的結合只依靠有機質粘接和碳納米管基底之間的范德華力，難以保證其電學和力學性能；而吸附、燒結等方法對基底和碳納米管有較高的處理要求，引入了部分難以去除的雜質，且大都很難與現有的微電子工藝相兼容。目前，電泳的方法被應用于碳材料的成膜。電泳（electropho-resis）是指在直流電場中，帶電粒子向帶符號相反的電極 移動的現象。

本實驗用了兩種成膜方法來制備碳基薄膜： a.絲網印刷碳納米管

跟印刷TiO2的方法是一樣的，只需將TiO2換成碳納米管，再選擇對電極的圖形印刷就可以了。

b.電泳技術制備

所需器材：恒溫磁力攪拌器，直流可調穩壓電源，導線若干，碳棒一根（不銹鋼材料也可以），100mL燒杯一個（用做電泳槽）

溶液配制：碳黑1g，硝酸鎂0.8g，異丙醇60mL，將三者混合配成溶液。用磁力攪拌器攪拌23小時。

電鍍：加直流電壓10V~30V，碳棒接陽極，圖形化的對電極ITO玻璃接陰極。當電源接通后，在加10V電壓的條件下，電流顯示為0.06A（每片玻璃在不同電壓下顯示的電流均不一樣，都小于0.1A），并且遞減為0A，電泳時間為3分鐘，此時，說明電鍍已經完成，因為鍍膜不導電。也可加大電壓來控制電泳的速度和膜的厚度。這需要多次反復實驗來驗證。

經多次反復實驗，陽極與陰極距離2.5cm 時，薄膜比較均勻，效果比較好。電鍍完成后再燒結，調節溫度300℃，恒溫2.5h。燒結后的薄膜顏色呈暗灰色。封裝與測試

3.1 電池的封裝

本實驗用熱封膜將兩電極封裝。

所需器材：熱封臺、小刀、微量進樣器、直尺。

所需試劑：熱封膜（Surlyn?1702）、電解液（DHS-E23）。（1）用封裝膜封裝

電鍍的碳薄膜比一般絲網印刷的要厚，所以電鍍的碳薄膜要采用兩層膜進行封裝，絲網印刷的碳納米管薄膜用一層膜封裝。

封裝步驟：a.先用紙做出一個能很好地套合TiO2膜和碳薄膜的封裝膜模型，再按照模型用小刀與直尺兩工具進行膜的裁剪，得到完好的封裝膜。b.將印有TiO2的ITO玻璃平放在實驗臺上，把封裝膜對齊到ITO玻璃上，再將對電極導電面扣在上面（可以用小夾子來固定），用熱封臺加熱玻璃電極使熱封膜發揮作用，大約5分鐘即可。（2）注入電解液

用10μL的微量進樣器（如圖3-1）吸取1μL的DHS-E23電解液，將針頭對準對電極上的小孔，輕微的在小孔里滴入一滴電解液，通過電池內外壓強差和毛 細現象將之灌入。再用熱封裝薄膜以及載玻片在烙鐵或者熱封臺的加熱下將小孔熱封。注入電解液過程如圖3-2所示，成品電池如圖3-3所示。

圖3-1：微量進樣器 圖3-2：電解質注入

圖3-3：封裝好的電池

3.2 碳薄膜表征與分析

本實驗用金相顯微鏡觀測膜表面特征。電腦型金相顯微鏡系統是將傳統的光學顯微鏡與計算機（數碼相機）通過光電轉換有機的結合在一起，放大倍數可以達到上千倍，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，還能在計算機（數碼相機）顯示屏幕上觀察實時動態圖像。（1）電泳法制備的碳薄膜表征

a.電泳液沒有用磁力攪拌器攪拌

圖3-4：電泳碳薄膜表征圖（1）

b.電泳液用磁力攪拌器攪拌24小時。

圖3-5：電泳碳薄膜表征圖（2）

圖分析結果：由圖3-4和3-5對比可以看出，經磁力攪拌器攪拌的電泳液粒子分散的更均勻，電鍍的碳薄膜也會比較好。(2)絲網印刷的碳薄膜表征

圖3-6：絲網印刷碳薄膜表征

圖3-6中的碳薄膜是在250℃條件下恒溫烘焙2h，冷卻后在金相顯微鏡下觀測到的圖形。圖3-6與圖3-5相比較，碳薄膜不夠致密。采用電泳的方法沉積的碳薄膜,與絲網印刷法制得的陰極相比分布更為均勻,且厚度更容易控制。3.3 電池的測試與分析(1)電池的測試

將封裝好的電池拿到室外陽光較好的地方，先用萬用表測試。陰極和陽極電極分別接萬用表的兩根線，萬用表打到伏安檔。測得結果如下：a.電鍍碳薄膜電池的正向開路電壓為0.065V；b.碳納米管薄膜電池的正向開路電壓為0.038V。測試過程如圖3-7所示（本實驗也可以進一步在太陽模擬器下進行，如圖3-8）。

圖3-7：室外萬用表測試電池

圖3-8：室內太陽能模擬器下測試電池

（2）結果分析

a.測得的數據比預期的小一個數量級

對于這一點分析可能有以下原因：①工藝制備中電極基底的刻蝕中導電膜可能有損傷，使導電性能有所下降；②用熱封膜封裝的時候，碳薄膜和TiO2膜疊 加后膜比較厚，而采用的封裝膜厚度不夠，導致兩電極間空隙減少；③注入的電解液較少，導致光照下電解質進行氧化還原反應的能力下降。

由②也可以導致③。

b.電鍍的碳薄膜電池比絲網印刷的碳薄膜電池的性能好

通過對兩種碳薄膜電池進行測量可以看出，電鍍的碳薄膜電池的開路電壓、短路電流均比絲網印刷的碳薄膜電池的要高。導致此現象出現的原因可以從以下幾點分析：①用電泳技術電鍍的碳薄膜比絲網印刷的碳薄膜分散的均勻；②薄膜有效導電面積會影響短路電流；③開路電壓受到電解質氧化還原電位與半導體費米能級的影響，本電池中電解質含量比較低，然而前者電壓大于后者主要是半導體膜的不同導致的。總結

電泳方法是利用直流電場使懸浮溶液中的帶電離子包裹住粒子在電性相反的電極板上沉積一層均勻的薄膜。我們發現采用電泳的方法沉積的碳薄膜，與絲網印刷法制得的陰極相比分布更為均勻，且厚度更容易控制。由于本實驗配制電泳液時使用了碳黑，而絲網印刷的是碳納米管，且碳納米管具有較小的曲率半徑，較大的長徑比，極高電導率，卓越的機械強度和化學穩定性等優點，因此，可以考慮用電泳法沉積碳納米管薄膜，這樣既可以提高電泳碳薄膜電池的性能，也使電泳法與絲網印刷技術更具對比性。

電池的性能也受陽極TiO2膜的影響，可以考慮印刷兩層膜，即先印刷一層TiO2+CNT薄膜，并在烘箱中將其烘培1h，溫度定為140℃；烘干后繼續印刷一層TiO2膜，再將實驗品放入烘箱中烘培2h。這是由于一維納米材料碳納米管不但可大大縮短電子傳輸距離，還可以抑制電子復合，使電子傳輸效率提高。用印刷兩層膜的方法也可能會提高電池的性能。

參考文獻

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鎳/碳納米管復合薄膜的制備及其性能的研究微細加工技術[J] 2008年4月第2期

第四篇：納米材料的制備及應用要點

本科畢業論文(設計)

題目： 納米材料的制備及應用

學院： 物理與電子科學學院

班級： XX級XX班

姓名： XXX

指導教師： XXX 職稱：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

納米材料的制備及應用

摘要:近幾年來，由于納米材料有眾多特殊性質，人們越來越關注納米材料。科技的迅猛發展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術在將來的應用。關鍵詞：納米材料 物理方法

化學方法應用前景

目 錄

引言..................................................................................................................1 1.納米材料的物理制備方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸發—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加熱蒸發法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸發—冷凝法........................................................................4 1.3.3.電子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等離子體法.................................................................................5 1.3.5.高頻感應加熱法.........................................................................5 1.4.濺射法..................................................................................................6 2.納米材料的化學制備方法.................................................................................7 2.1化學沉淀法............................................................................................8 2.2化學氣相沉積法...................................................................................8 2.3化學氣相冷凝法....................................................................................10 2.4溶膠--凝膠法.......................................................................................10 2.5水熱法.................................................................................................11 3.納米材料的其他制備方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2靜電紡絲法..........................................................................................13 4.納米材料的應用前景.....................................................................................14 5.總結.............................................................................................................14 參考文獻..........................................................................................................15 致謝................................................................................................................16

引言

納米材料是指任一維空間尺度處于1—100nm之間的材料。它有著不同尋常的性質，如小尺寸效應可引起物理性質的突變，從而具有獨特的性能；量子尺寸效應和表面與界面效應使其具有了一般大顆粒物不具備的性質，如對紅外線、紫外線有很強的反射作用，應用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫學方面都有非常重要的價值[1]。多年以來，通過科學家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應用中得到了很大的發展。納米材料將逐漸進入人們的日常生活，并將成為未來新工業革命的必備材料。

1.納米材料的物理制備方法 1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用機械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒[2]。此方法操作簡單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。

圖1.機械粉碎法儀器圖

1.2球磨法

球磨法是將材料放入球磨機內，在球磨機的轉動或振動過程中，鋼球與原料之間產生劇烈的碰撞，再經過攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡單，效率高，能獲得常規方法不易得到的高熔點合金，如金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質，有次得到的納米微粒純度不高。

圖2.球磨法示意圖

1.3.蒸發—冷凝法

蒸發-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發、電弧高頻反應等方法使原料生成等離子體，再在介質中冷卻凝結行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發法

光加熱蒸發法：用激光作為加熱源，氣相反應物可在吸收傳遞能量之后快速凝結成核、長大、終止[3]。用該方法可以達到減少雜質的目的，實驗過程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產效率低，成本高，不宜大規模生產。

圖3.激光加熱蒸發法制備納米顆粒實驗裝置圖

圖4.激光加熱法制成的TiO2顆粒

1.3.2.真空蒸發—冷凝法

真空 蒸發—冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對物質進行真空加熱，使其蒸發形成原子霧，原子霧遇冷凝結形成納米顆粒[4]。這種在高溫下獲得的納米微粒很小（可小于10nm），在制備過程中無其它雜質污染，反應快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單

一、熔點低的物質。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點物質的納米微粒時還存在很大局限性。而且此方法對設備要求高、成本也比較高，不適合大規模生產。

圖5.真空蒸發—冷凝法制備納米顆粒示意圖

1.3.3.電子束照射法

電子束照射法：原材料（一般指金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬—氧鍵斷裂，金屬原子蒸發后遇冷凝結成核、長大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來制備金屬納米粉末。

圖6.電子束照射法制備納米微粒裝置圖

1.3.4.等離子體法

等離子體法：原材料在惰性或反應性氛圍中，通過直流放電來使氣體電離，從而熔融、蒸發、冷凝得到納米微粒[5]。用此種方法制得的產品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點物質納米微粒的制備。但此方法離子槍短、功率低。

圖7.等離子體法制備納米微粒實驗裝置圖

1.3.5.高頻感應加熱法

高頻感應加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發，原子蒸發后與惰性氣體碰撞凝結行成納米微粒[6]。此方法僅限于制備低熔點的物質，并不適合于沸點高的金屬盒難熔化物質，且成本加高，一般不采用。

圖8.高頻感應加熱法制備納米納米微粒實驗裝置圖

1.4.濺射法

濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，兩極之間充入Ar氣，壓強在40—250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發出來沉積到基片上，形成納米顆粒[7]。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結合力強、鍍膜層致密、均勻等優點。但產品分布不均勻，產量較低。

圖9.濺射法制備納米微粒原理圖

2.納米材料的化學制備方法

納米材料的化學制備方即通過化學反應，從原子、離子、分子出發，制備納米微粒。常用的化學制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導化學氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學合成法、化學氣相反應法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。

2.1化學沉淀法

化學沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應生成難溶物或水和氧化物，再經過慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其中，均勻沉淀法是預沉淀劑在溶液中緩慢反應釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應形成沉淀

[8]；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學合成納米微粒應用最多的方法之一，其中關鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團聚。這種方法在冷凍干燥過程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團聚現象[9]。沉淀法制備納米微粒時成品的影響因素比較多，如過濾過程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會影響納米微粒的大小；此種方法操作簡單，但很容易引入新的雜質，影響產品的純度。2.2化學氣相沉積法.化學氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發生化學反應得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同[10]。普通的化學氣相沉積法得到的納米微粒易團聚燒結，而且比較粗，用等離子體增強化學氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發生。化學氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學活性高，而且成本低、生產效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學氣相沉積法由于制備工藝簡單，設備投資少，方便操作，適于大規模生產，工業應用前景較好。化學氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術逐步完善，化學氣相沉積法將會由更廣泛的應用[11]。

圖10.化學氣相沉積法制備納米微粒的實驗裝置圖

圖11.化學氣相沉積法制備納米微粒的原理圖

圖12.化學氣相沉積法獲得的各種形態固體示意圖

2.3化學氣相冷凝法

化學氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強在10Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應，在經過冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡稱CVC法，目前已經成功應用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料[12]。2.4溶膠--凝膠法 溶膠--凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應，溶質發生水解生成納米級的微粒并形成溶膠，溶膠經過蒸發、干燥轉變為凝膠(該法在低溫下反應，允許摻雜大量的無機物和有機物)，再經過干燥、燒結等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應有聚合反應、水解反應[13]。目前，溶膠--凝膠法一般又分為兩種：膠體化學法和金屬醇鹽水解法。其優點是操作簡單，在低溫環境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠－凝膠法制備的 10

納米材料有多孔狀結構，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收縮、開裂，所以使用范圍不廣。

圖13.溶膠--凝膠法制備納米材料的流程圖

2.5水熱法

水熱法是指在封閉的反應容器中，將水溶液作反應體系，對水溶液加熱增大體系壓強來制備無機材料，再經過分離、熱處理得到納米微粒；離子反應和水解反應在水熱條件下可得到加速、促進，常溫下反應很慢的熱力學反應，在水熱條件下就可以快速反應；在高壓下，大部分反應物能部分溶于水中，使得反應在液相或氣相中進行[14]。

水熱法可以控制微粒的形態、結晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無團聚或少團聚。這一特點大幅度提高了粉體的燒結性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產；并且，水熱法的反應溫度低，活性高，為大規模的生產納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫 11

條件有利于合成熔點較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規則的晶體材料，而且合成產物的純度較高。水熱法缺點是一般只能制備氧化物納米粉體，對晶核的形成過程以及晶體生長過程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過程中有高溫、高壓步驟，對生產設備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法

納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產生蒸汽，蒸汽通過小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時控制分子束，對襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長在基片上形成薄膜[15]。

圖14.分子束外延法原理圖

分子束外延法生長溫度低，能減少不希望的熱激活過程，生長速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長表面可達到原子級光滑度，可制備極薄的薄膜；生長的薄膜可以保持原來靶材料的化學計量比；把分析測試設備與生長系統結合在一起，實現薄膜生長的原位監測[16]。分子束外延法也有不足的地方，如對真空要求非常高，分子束外延設備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是在高壓電場作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當電場力達到一定程度時，聚合物液滴在電場力作用下克服表面張力形成噴射流[17]。噴射時，射流中的溶液發生蒸發或自身發生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。

圖15.所示為靜電紡絲原理圖

靜電紡絲法制備納米材料優點很多，如裝置簡單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術的發展使靜電紡絲作為一種簡便有效的生產納米纖維的新型制備技術，將會在生物、醫用、催化、光電、食品工程、化妝品等領域發揮巨大的作用。4.納米材料的應用前景

納米材料有很多優異的特點，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質。納米材料的應用有著廣闊的應用前景。采用納米技術制造的納米結構微處理器在微電子和計算機技術方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬倍；納米存儲器的密度比普通存儲器的要高1000倍；而納米技術與集成技術結合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數十倍。在環境與能源方面，納米材料可提高太陽能電池的能量轉換效率，還可以用來消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質（油污、細菌）在光的照射下，通過Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質。納米材料在減少環境污染、凈化環境上有廣闊的應用前景。在生物學工程與醫學方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用[18]。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實現免疫學的間接凝聚實驗,實現快速診斷。用納米材料制成的機器人，用來人體進行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動脈脂肪沉積物。5.總結

納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發展前景。納米材料的制備方法和技術將隨著科學技術的發展更加成熟，將對人們的生活和人類生產力的發展產生重大的影響。

隨著納米技術的發展，各個學科領域都開始廣泛應用納米材料。這必將會不斷出現更新更好的制備方法，希望在將來以下幾個方面可取得突破。

(1)在結構、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領域發展需要，具有更多預期功能的納米材料；

(2)從節能、節約材料、提高效率等角度出發，研制出更多的新設備，以便制備出更多的新型納米材料；

(3)設計出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎上，提高納米材料的功能。

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致謝

本論文在XXX的悉心指導下完成的，她淵博的專業知識，嚴謹的治學態度使我受益非淺。在此謹向XXX老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝我的學友和朋友對我的關心和幫助。

The preparation of nanomaterials and their application prospects

Abstract：Nanomaterials are attracting great intense in recent years，for its special properties.With the rapid develope of science and technology , the preparation of nanomaterials has become more skilled.In this paper we mainly introduce the preparation of nanomaterials,including physical and chemical methods,and prospect of nanotechnology in 21st.Keywords: nanomaterials physical method chemical method application prospect

第五篇：納米材料研究現狀及應用前景要點

納米材料研究現狀及應用前景

摘要：文章總結了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復合材料和納米結構的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應用領域，并簡單展望了納米科技在未來的應用。

關鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應用 0 引言

自從1984年德國科學家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來，納米材料的制備、性能和應用等各方面的研究取得了重大進展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發展到了合金、化合物、金屬無機載體、金屬 有機載體和化合物無機載體、化合物有機載體等復合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應用領域日新月異。

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成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復合材料和納米結構等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開發時間最長、技術最成熟，是制備其他納米材料的基礎。納米粉體可用于：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學器件拋光材料、微芯片導熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進的電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料、新型激光或發光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于氣體催化材料、過濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強度材料、智能金屬材料等。納米復合材料包括納米微粒與納米微粒復合(0-0 復合)、納米微粒與常規塊體復合(0-3復合)、納米微粒與薄膜復合(0-2 復合)、不同材質納米薄膜層狀復合(2-2 復合)等。納米復合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學性能進行設計，具有優良的綜合性能，可應用于航空、航天及人們日常生產、生活的各個領域。納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎，按一定規律構筑或營造的一種新體系。這些物質單元包括納米微粒、穩定的團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國于20世紀80年代末開始進行納米材料的研究，近年來，在納米材料基礎研究領域，取得了重大的進展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應的設備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合等許多方面有所創新。成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優越的納米陶瓷；在世界上首次發現納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應力集中區出現超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應和自旋波共振等方面做出了創新性的成果；在國際上首次發現納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過金屬Gd；發展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發現全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應等。納米材料制備技術現狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復合材料和納米結構等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關于納米材料的制備方法方面的文獻較多，各種制備方法的工藝過程、特點及適用范圍在相關的文獻中均有較詳細的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學和熱學性能

納米材料由于其獨特的結構，因而與常規材料相比，在力學和熱學上表現出一些奇異的特性。實驗表明，粒徑達8nm的鐵的強度為常規材料的數倍，其硬度是常規材料的近千倍。長期以來，為解決陶瓷在常溫下的易碎問題不斷尋找陶瓷增韌技術，如今納米陶瓷的出現輕而易舉地解決了這個難題。實驗證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經反復鍛壓，其形變高達300%。

目前各種發動機采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優異的高強陶瓷取代金屬，這也是未來發動機發展的方向。而納米陶瓷的出現為人們打開了希望之門。納米陶瓷的超高強度，優異的韌塑性使其取代金屬用來制作機械構件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學活性大，因而其燒結溫度和熔點都有不同程度的下降。常規Al2O3燒結溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結一些高熔點材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫燒結，流動性大，燒結收縮大的特性，可以作為燒結過程的活性劑，起到加速燒結過程，降低燒結溫度，縮短燒結時間的作用。有人曾作過實驗，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復相材料由于不同相的熔點及相變溫度不同而燒結困難，但納米粒子的小尺寸效應和表面效應，不僅使各相熔點降低，各相轉變溫度也會降低。在低溫下就能燒結成性能良好的復相材料。納米固體低溫燒結特性還被廣泛用于電子線路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構成的海綿體狀和輕燒結體可制成多種用途的器件，廣泛應用于各種過濾器、活性電極材料、化學成分探測器和熱變換器，例如備受人們關注的汽車尾氣凈化器。有報道說，以色列科學家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學特性

納米粒子的一個明顯特征是尺寸小。當納米粒子的粒徑與超導相干波長，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當、甚至更小時，其量子尺寸效應將十分顯著，使得納米材料呈現出與眾不同的光學特性。

納米材料對可見光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來說，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實驗證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對可見光的低反射率、高吸收率導致粒子變黑。由于體積效應，能級間距的增大和納米的量子限域效應，納米粒子對光的吸收還表現出藍移現象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導體器件的紫外線過濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發射出的有害紫外線。將其應用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線、抗電磁波和抗可見光的特性，可用來制做宇航服。

2.3 納米材料的化學活性、敏感性

化學催化劑是一種不斷接受熱源使化學反應穩定進行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個方面:一是提高反應速度和效率，縮短反應時間；二是改善反應的條件，如降低反應溫度、壓強、真空度等；三是在決定反應的路徑方面，使化學反應按預計的方向進行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質量催化劑表面能同時接納盡可能多的反應物，納米微粒的表面積效應恰好符合了這一點。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺階，此外原子表面懸鍵多，反應活性大。這些都有利于加速化學反應，提高催化劑的反應活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現出令人驚異的化學選擇性。這在有機化學工業上有著廣闊的應用前景，可用來提高原料的利用率，降低生產成本。如在環辛二烯加氫生成環辛烯的反應中，常規的Ni催化劑選擇性僅為24，而采用粒徑為30nm的Ni時選擇性提高到210，是原來的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強等特性，導致納米微粒對周圍環境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強的微小變化都會引起其表面或界面離子價態和電子遷移的變化。這正滿足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應速度快以及檢測范圍廣的要求。目前科學家已發現多種納米材料對一些特定的物質具有敏感反應。

2.4 納米材料的電學、磁學效應

超順磁性是納米微粒的一大磁學特性。當納米微粒尺寸小到一定臨界值時，其磁化率就不再服從經典的居里一外斯定律而進入超順磁狀態。科學家認為納米微粒出現超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運動能可比擬時，磁化方向就不在固定的一個異磁方向。異磁方向作無規律的變化，這就導致了超順磁化的出現。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強磁性微顆粒包一層長鏈有機分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強磁性和液體的流動性，在工業廢液處理方面有著獨特的優勢和廣闊的應用前景。

納米微粒進入臨界尺寸呈現出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時，卻表現出高的矯頑力。另外，當納米粒子的尺寸小到一定值時，每個粒子就是一個單磁疇，實際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來磁記錄材料的發展趨勢。磁記錄材料發展的總趨勢是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬條以上，這就要求每條信息記錄在幾個平方微米內，只有納米的尺寸才能達到這一點。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結構、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優點。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國也開展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質，科學家們在各個研究領域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應用的越來越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產

材料科學領域無疑會是納米材料的重要應用領域。高熔點材料的燒結納米材料的小尺寸效應(即體積效應)使得其在低溫下燒結就可獲得質地優異的燒結體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結溫度低、流動性大、滲透力強、燒結收縮大等燒結特性，所以它又可作為燒結過程的活化劑使用，以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時燒結，而當摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復合材料的燒結由于不同材料的熔點和相變溫度各不相同，所以把它們燒結成復合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應和表面效應，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進行固相反應，得到燒結性能好的復合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產出質地致密、性能優異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應，這些都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域，并將會對高技術和新材料的開發產生重要作用。

3.2生物醫學中的納米技術應用

從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執行某種功能的“納米機械”，細胞就象一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經系統的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內的細胞、紅血球還要小，這就為醫學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫療，而且可在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監測和治療。各式納米機械系統可以快速地辨別病區所在，并定向地將藥物注入病區而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。

3.3納米生物計算機開發

生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能、自動修復芯片上發生的故障，還能使其模仿人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的。

科學家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產生重大影響。制造這類計算機離不開納米技術。生物納米計算機和納米機器人的結合體則是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數十億次操作，屆時人類的勞動方式將產生徹底的變革。

目前納米科學技術正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關心未來發展的全世界科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現出的奇異現象和新進展，這一領域前景十分誘人。它與其它學科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學科或學科群，其有關發展將對經濟建設、國防實力、科技發展乃至整個社會文明進步產生巨大影響。

3.4新的國防科技革命

納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統和戰場上的實時聯系；對化學、生物、核武器的納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊與防護能力；由納米微機械系統制造的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可用一枚小型運載火箭發射千百顆，按不同軌道組成衛星網，監視地球上的每一個角落，使戰場更加透明。而納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz范圍內，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發揮單位質量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼備了薄、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為。

3.5其他領域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環境能源、微電子學等其他領域也有著逐漸廣泛的應用，納米材料在這些領域都在逐漸發揮著光和熱。納米材料的應用前景展望

在未來的幾十年中，納米技術將逐步滲透到科學技術的各個領域，并在很大程度上改變人們的生產和生活觀念。納米技術將影響的幾個領域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術。由于人口的快速增長，預計到2025年，全球將有48 個

國家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術，碳納米管的發現及納米技術的發展為這一技術提供了一種可能的發展方向。

(2)照明系統。在照明中用于制造發光二極管的半導體將逐漸在納米尺寸范圍內制作，在納米尺度上制作的發光二極管的效率現在已經可以與可見光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發熱特性，將很快在展覽、汽車照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應用。

(3)醫學和生物領域。納米技術將使適用于制藥的化學物質的數量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對腫瘤部位進行治療，因為更大的粒子無法穿過腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進入腫瘤內部；納米技術將使癌癥在僅有少量癌細胞出現的早期即被檢出。

(4)微電子和計算機。納米結構的微處理器的效率將提高100萬倍，并實現兆兆比特的存儲器，研制量子計算機和光子計算機。

(5)環境和能源。利用納米技術發展綠色能源和環境處理技術，減少污染和恢復被破壞的環境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽能電池的能量轉換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質，還可以開發出無以計數的新型材料，21世紀的納米材料必將在微電子、信息、能源、環保、通訊、航空航天、工農業生產以及人們的日常生活等領域中發揮出巨大的作用，從而促進生產力的提高，推動社會的發展。參考文獻

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