贵金属纳米材料的特性
尺寸在纳米级的贵金属材料,其光学、热学、电学、磁学、力学及化学各方面的性质发生了显著的变化,同时具有许多新奇的性能是传统理论无法预知的,主要体现在
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面与界面效应!体积效应!量子尺寸效应和宏观量子隧道效应
表面与界面效应:
纳米粒子的粒径随粒子表面原子数与总原子数之比变化而引起性质上的变化称为 表面效应或界面效应"纳米材料的颗粒尺寸越小,表面原子所占的体积比表面积分数越大,产生的表面能就越大"例如,纳米粒子的粒径为时,表面原子所占比例为,比表面积为当粒径为时,表面原子所占比例为,比表面积为"由于表面原子所占比例增多,比表面积增大,价态严重失匹,出现不饱和键,致使纳米颗粒表现出很高的活性,很容易吸附其它原子发生化学反应"据文献报道,具有很高活性的超细颗粒在空气中会迅速氧化而燃烧"而当粒子的直径大于时,不具有表面效应,不会出现燃烧的现象"因此利用颗粒的表面效应,金属纳米材料有望成为新一代的高效催化剂和储氢材料"
体积效应:
当光波波长!波长!超导态的相干波长度与纳米材料的晶体尺寸相当或纳米粒子比它们小时,周期性的边界条件将被破坏,与普通粒子相比,纳米粒子的熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性均发生了很大的变化,这就是体积效应"例如,固体银的熔点为,纳米银的熔点为铁颗粒的韧性要比普通铁好得多"对所有的金属超细颗粒而言,都呈现黑色,粒径越小,颜色越黑"这是因为纳米级别的粒子,决定它们性质的不是传统观念上的原子和分子,而是由这个层次的分子或原子组装起来的集合体"这种效应改变了材料的物理和化学特性,为纳米粒子的应用开拓了新领域。
量子尺寸效应:
量子尺寸效应又被称为小尺寸效应,在年代初,由日本科学家提出定义:它是指当纳米颗粒的尺寸下降到某一固定的值时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象"对于金属超细微粒,其所含的电子数较少,包含的原子数有限,分立的能级间距大于磁场能!热能或电能,因此引起了光学吸收值向短波方向移动,从宏观上看,可以看到样品颜色的变化"如,当黄金颗粒的粒径足够小时,黑色替代了原有的金黄色"纳米颗粒由亮黄色逐渐呈现淡黄色"与此同时,还为纳米材料带来一系列新奇的性质,如光催化性质、特异性催化、强氧化性和还原性等。宏观量子隧道效应贵金属纳米材卡勺可控合成与表祖电子的波粒二象性引起了隧道效应"该效应从微观角度出发,发现粒子能够贯穿比总能量高的能垒的现象,粒子所具备的这种能力称为隧道效应"近年来,科学家们发现一些宏观物理量,例如,量子相干器的磁通量和超微粒的磁化强度等都显示出隧道效应,称之为纳米颗粒的宏观量子隧道效应"它是是研究光电子!微电子器件的基础,用这一概念在理论和实践上具有重要的指导意义"年诺贝尔物理奖的获得者宾尼和罗雷尔博士发明的具有高分辨率并能直接观察到物质表面原子结构的扫描隧道显微镜,分辨率可高达
贵金属纳米材料的应用
目前,由于金属纳米材料的特殊性能,将人们对材料的认识提升到新的境界"对于其优异的性质,展示了广阔的应用前景。较贵金属催化剂而言,更具有自己独特的性能,下面简单介绍一下贵金属纳米材料的应用"贵金属纳米材料在催化领域的应用能够加速反应,并且在反应过程中自身不被消耗的物质被称为催化剂。催化剂主要有三个方面的用途提高反应效率,缩短反应时间通常催化剂具有选择性,能够优化反应,选择合适的反应路径降低反应的温度"金属纳米颗粒作为催化剂,有着粒径小、比表面积大、催化效率高的优点,在医药、食品、环保、化肥、塑料、精细化工等均被使用为催化剂,其中贵金属催化剂就占了,而铂族金属更是独占鳌头"
目前催化技术与许多国际战略性的问题密切相关,如汽车尾气的排放1.2!地下水污 染物的处理!有机废物的生物降解!石油污染物的降解及如何发展低成本且节能的环境 技术等"有报道曾指出,贵金属催化剂对于硝酸合成!氨合成!氢氰酸合成!醋酸合成 及双键!三键的选择性氢化!环氧乙烷的生产等具有具有重要应用"目前随着煤!石油等能源的日益枯竭,人们正面临着严重的能源危机,开发高效!环境友好!建设周期短!比能量高!维护性及可靠性好的清洁型新能源受到了国内外科学家的普遍重视,燃料电池应运而生"燃料电池仁.2是将化学能直接转化为电能的电化学装置,催化效率甚至高于火力发电"它不受卡诺循环的限制,其能量转换效率很高可达到,同时不会产生硫氧化物和氮氧化物,而二氧化碳的排放量也相应地辽宁师范大学硕十学位论文减少很多,因此有人称它为继水能!火能和核能之后的第四代发电技术"其中,贵金属胶体颗粒铂起着关键的作用"在燃料电池中,铂基催化剂主要三方面的作用"一是调节系统的功率二是将阴极氧等催化剂还原,阳极甲醇!甲酸!氢等催化燃料氧化,重整制氢三是催化燃料电池的反应堆"但因等贵金属价格价高,如何降低成本!简化合成工艺,实现商业化生产,仍然是我们需要解决的首要问题。
贵金属纳米材料在微电子领域的应用:
在微电子工业上的应用主要是利用纳米材料的量子效应,如半导体和彩色玻璃的 开发!导电浆料!气体传感材料和印刷材料等"人们已经成功研制出具有光闸!光学过 滤器!光开关!梯度透镜!波导管等光学性质的贵金属胶体玻璃,同时在开发玻璃光纤 中起着十分重要作用的含金等半导体微晶玻璃和具有红宝石色彩的高档次玻璃器皿也 有着广阔的市场"最近日本一家非常有名的油漆公司己经成功制备了可用有机溶剂任意稀释7!含量高达一!一的金和银的胶体分散液"这种材料在光的直接照射下,由于纳米颗粒很小,透明度很高,因此材料的表面异常光亮"目前,在高档住宅装饰和豪华型轿车方面应用前景良好" 贵金属纳米材料在生物医学领域的应用:
随着人们对纳米技术认识的深入,科学家已经成功地将纳米材料应用于蛋白质浓度 测定技术!生物传感技术!生物标识技术及医用材料和药物监测等方面"和七研究小组利用胶体金探针与显微技术相结合,可以分析错配的简单机理"在医用方面,将具有生物活性的贵金属化合物制成药物填充与纳米微管中,不仅抗癌性明显增强,同时及延长了在人体内的循环时间,药物的生物利用度也大大提高"如,铂族金属抗癌药物的成功问世,用于抗菌!消炎的纳米银药物无需注射,可直接涂抹在患处,减少病人的疼痛感"此外,利用先进的纳米技术制成的贵金属纳米材料,在陶瓷!分子组装方面和作为储氢材料都有重要的应用"
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