《纳米材料基础与应用》课程教学课件（PPT讲稿）第四章 纳米微粒分析

纳米材料基础与应用 第4章 纳米微粒分析

纳米材料基础与应用  第4章 纳米微粒分析

知识要点 掌握程度 相关知识 纳米微粒粒径 了解纳米微粒的分析方法，熟悉颗 及其分布的基本 粒的分类、粒径的定义与颗粒分布 材料的成分、物相、物性及显微分析 方法，等效粒径意义 概念 表示 掌握显微图像分析法的原理与适用 TEM、SEM、STM、AFM仪器及其 纳米微粒图像获得技术，X射线衍射仪 纳米微粒粒径 范围、X射线衍射宽化法和比表面积 测量 法原理与过程，熟悉激光粒度分析的 及其晶面间距测定，BET法测定比表面 原理与仪器、适用范围； 积，激光粒度仪、拉曼光谱仪、离心沉 了解其他纳米微粒粒径分析方法 降粒径分析仪 纳米微粒的波 熟悉纳米微粒在红外光谱、拉曼光 谱中的峰形、峰位变化特点，理解纳 谱特点 红外光谱、拉曼光谱 米微粒光谱特征变化的内在原因 用 2

纳米材料基础与应用 2

纳米颗粒分析的重要性 催化剂>10nm +H2+CO OH 催化剂<5nm 日HH H- C-C HHH 丙酸是国际公认经济、安全性最佳的食用性防腐剂。丙酸的生产方法包括化学合成 法和微生物发酵法。目前，工业上主要以乙烯、一氧化碳和氢气为原料在镍催化剂作用 下化学合成丙酸，其合成通常包括丙醛生产和丙醛氧化两步。化学合成中使用的催化剂 是用以硅为载体的纳米镍催化剂。早期研究发现在丙醛生产过程中，有的情况下会生成 部分正丙醇，在丙醛氧化过程中其不能氧化成丙酸，因而降低了乙烯转化效率。进一步 深入的研究发现，如果硅载体的纳米镍催化剂在粒径大于10nm时，对丙醛催化作用主 要是氧化反应生成酸；而当镍粒径在5m以下时，反应选择性发生急剧变化，醛氧化 反应受到抑制，主要发生的是通过氢化反应生成正丙醇。研究认为要提高丙酸产率，必 须对催化剂纳米镍的粒径进行严格控制，在催化剂加入之前，要准确测定纳米微粒的粒 径，确保目标反应的进行，避免副反应的发生

纳米材料基础与应用 3 纳米颗粒分析的重要性 +H2+CO 催化剂>10 nm 催化剂<5 nm

不同结构与催化活性 0010 001y 001)B (101】 101) 101) compressed elongated 1o10M 68.3° 68.3° 111.7 1 um 1um 1 um {100}>{101}>{001} 米用

纳米材料基础与应用 4 不同结构与催化活性 {100} > {101} > {001}

纳米材料分析技术简介 STM、SEM、SPM显微镜 鬚 常规化学分析法（特征元素的溶解 X射线衍射法TEM 滴定)原子光谱分析法（吸收光谱 显微镜IR、UV、 物相，结构 纳米材料 化学成分 发射光谱)质谱法X射线特征分析 拉曼光谱法核磁共 法(X射线荧光光谱法、电子探针 振法 分析法)光电子能谱法 力学分析仪（显微硬度仪，力学万能试 验机等)热综合分析仪，磁强分析仪， 光谱仪等各种性能测试仪 纳米小用

纳米材料基础与应用 5 纳米材料分析技术简介 纳米材料 化学成分 常规化学分析法（特征元素的溶解- 滴定）原子光谱分析法（吸收光谱、 发射光谱）质谱法 X射线特征分析 法（X射线荧光光谱法、电子探针 分析法）光电子能谱法 物相,结构 形 貌 X射线衍射法 TEM 显微镜 IR、UV、 拉曼光谱法 核磁共 振法 STM、SEM、SPM显微镜 性 能 力学分析仪（显微硬度仪，力学万能试 验机等）热综合分析仪，磁强分析仪， 光谱仪等各种性能测试仪

4.1纳米微粒粒径分析 ●在纳米材料中，微粒尺寸对其性质有着强烈的影响，纳米材 料的微粒粒径是衡量纳米材料最重要的参数之一，在纳米材 料的研究中准确测量纳米微粒粒径是非常重要的。 ●纳米微粒的粒径对材料的性质具有重要影响，同种材料因粒 径差别，其小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观 量子隧道效应不同，从而产生不同的特性，具有不同的功能。 磁性：超顺磁性 光学：发光，蓝移等 催化性能：选择性 米小应 6

纳米材料基础与应用 6 ⚫ 在纳米材料中，微粒尺寸对其性质有着强烈的影响，纳米材 料的微粒粒径是衡量纳米材料最重要的参数之一，在纳米材 料的研究中准确测量纳米微粒粒径是非常重要的。 ⚫ 纳米微粒的粒径对材料的性质具有重要影响，同种材料因粒 径差别，其小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观 量子隧道效应不同，从而产生不同的特性，具有不同的功能。 磁性：超顺磁性 光学：发光，蓝移等 催化性能：选择性

常用测量粒径的方法： 测定纳米颗粒粒径的方法主要： 图像分析法(TEM、SEM、STM/AFM)、 衍射线宽化（谢乐公式）、 X射线小角散射法、 BET比表面积法、 激光光散射法、 离心沉降法等。 纳米础小用 7

纳米材料基础与应用 7 测定纳米颗粒粒径的方法主要: 图像分析法(TEM、SEM、STM /AFM) 、 衍射线宽化(谢乐公式) 、 X射线小角散射法、 BET比表面积法、 激光光散射法、 离心沉降法等。 常用测量粒径的方法：

4.1.1纳米微粒粒径基本概念 (220) 113(422 100 nm 10 8 Cu颗粒

纳米材料基础与应用 8 ⚫ 颗粒:是指呈粒状的固体粒子，可能是单晶体也可能是多晶 体、非晶体或准晶体； ⚫ 晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 ⚫ 一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，它可以是 单晶、多晶或非晶体，其颗粒内部可以有界面，例如相界、 晶界等。 ⚫ 二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的 工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 4.1.1纳米微粒粒径 基本概念

4.1.1纳米微粒粒径基本概念·纳米微粒一般指一次颗粒。 它的结构可以是晶态、非 晶态和准晶，可以是单相、 多相结构或多晶结构。 ● 只有一次颗粒为单晶时， 颗粒 颗粒 团聚体 微粒的粒径才与晶粒尺寸 颗粒 (晶粒度)相同。 颗粒 团聚体：是由一次颗粒通 图4.2团聚体、一次颗粒和晶粒 过表面力或固体桥键作用 的结构示意图 形成的更大的颗粒，团聚 体内含有相互连接的气孔 纳米形♪用 网络 9

纳米材料基础与应用 9 ⚫ 纳米微粒一般指一次颗粒。 它的结构可以是晶态、非 晶态和准晶，可以是单相、 多相结构或多晶结构。 ⚫ 只有一次颗粒为单晶时， 微粒的粒径才与晶粒尺寸 (晶粒度)相同。 ⚫ 团聚体：是由一次颗粒通 过表面力或固体桥键作用 形成的更大的颗粒，团聚 体内含有相互连接的气孔 网络 4.1.1纳米微粒粒径 基本概念

粒径定义 ·对于球形微粒，其粒径就是它的实际直径。 √多数纳米微粒的形状都不是均匀球形的，而是有各种各样的 结构和形状，对不规则颗粒，微粒的粒径定义为等效直径 (等当直径)，如体积等效直径、投影面积等效直径等等。 等效粒径(D)和微粒体积(V)的关系可以用如下表达式表示： D=1.24V1/3 ·在大多数情况下粒径分析所给出的粒径是一种等效意义上的粒径，和实际 的微粒大小会有一定的差异，因此只具有相对比较的意义。各种不同粒度 分析方法获得的粒径大小和分布数据也可能不能相互印证，不能进行绝对 的横向比较。 10

纳米材料基础与应用 10 粒径定义 ⚫ 对于球形微粒，其粒径就是它的实际直径。 ✓ 多数纳米微粒的形状都不是均匀球形的，而是有各种各样的 结构和形状，对不规则颗粒，微粒的粒径定义为等效直径 （等当直径），如体积等效直径、投影面积等效直径等等。 等效粒径（D）和微粒体积（V）的关系可以用如下表达式表示： D = 1.24 V1/3 ⚫ 在大多数情况下粒径分析所给出的粒径是一种等效意义上的粒径，和实际 的微粒大小会有一定的差异，因此只具有相对比较的意义。各种不同粒度 分析方法获得的粒径大小和分布数据也可能不能相互印证，不能进行绝对 的横向比较