第七章功能转换材料、纳米材料一、功能能转换材料一次功能：向材料输入的能量和输出的能量为统一形式，材料起到载体作用。例导电、传热、透光、吸附等。二次功能：向材料输入的能量和输出的能量为统一形式，材料起到转换作用。例光能与其他形式的能量的转换—光分解、、光到电等；电能与其他形式的能量的转换—电磁效应、热电效应等；磁能与其他形式的能量的转换—光磁效应、磁冷冻效应等；机械与其他形式的能量的转换—热弹性、机械化学、压电等。以上二次功能材料都属于功能转换材料。二、“光化学”功能转换材料——光催化材料1定义：的照射下，化合物（有机、无机）合成或分解。光能→化学能2应用：太阳能利用、污水处理、空气净化、除菌保洁等。（环保、能源材料）3TiO2光催化剂的结构与性质1）三种晶型：板钛矿锐钛矿金红石2）能带结构：锐钛矿禁带宽度（Eg）为3.2ev，根据λg（nm）=1240/Eg=387nm，需要紫外光源照射。3）光催化降解机理：羟基自由基（·OH）的强氧化性4研究现状能源利用：光的照射下，TiO2将H2O→H2；污水处理：（美国）对海上石油泄漏进行处理；杀菌保洁：（日本）保洁瓷砖、自洁净玻璃光催化技术存在的问题：1）光催化剂2）负载3）反应器三、纳米材料简介1著名的物理学家、诺贝尔奖获得者Feyneman（费曼）早在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。1）纳米材料：指晶粒尺寸为1~100nm的超细材料(nm=10-9m)。2）组成部分：——具有长程序的晶状结构；——既没长程序，也没短程序的无序结构。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。21984德国萨尔兰大学的著名学者格莱特把在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，制出了世界上第一块纳米材料，开纳米材料学之先河,从而使纳米材料进入了一个新的阶段。19907在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。33.1表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：表面原子数与粒径的关系从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。3.2体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：δ=4EF/3N∞V-1∞1/d3其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。3.3量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的