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第一章1、纳米科学技术概念纳米科学技术是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。2、纳米材料的定义把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。“功能”概念，即“量子尺寸效应”。3、纳米材料五个类（维度）0维材料，1维材料，2维材料，体相纳米材料，纳米孔材料4、0、1、2维材料定义、例子0维材料—尺寸为纳米级(100nm)以下的颗粒状物质。富勒烯、胶体微粒、半导体量子点1维材料—线径为1—100nm的纤维(管)。纳米线、纳米棒、纳米管、纳米丝2维材料—厚度为1—100nm的薄膜。薄片、材料表面相当薄的单层或多层膜5、纳米材料与传统材料的主要差别尺寸：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。性能：第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。6、金属纳米粒子随粒径的减小，能级间隔增大7、与块体材料相比，半导体纳米团簇的带隙展宽，展宽量与颗粒尺寸成反比8、纳米材料的四大基本效应尺寸效应，介电限域效应，表（界）面效应，量子效应9、什么是量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级（LUMO），能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。10、什么是小尺寸效应当超细颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长、以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。11、什么是表(界)面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的化学活性，催化活性，吸附活性。表面效应是指纳米粒子表(界)面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。12、什么是宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。13、什么是库仑堵塞效应当体系的尺度进入到纳米级(一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米)，体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，e为一个电子的电荷，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大。我们把这个能量称为库仑堵塞能。换句话说，库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。14、纳米微粒熔点降低的原因与常规粉体材料相比，由于纳米微粒的颗粒小，其表面能高、比表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒的熔点急剧下降。15、烧结温度比常规粉体显著降低的原因所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的，即烧结温度降低。16、什么是宽频带强吸收大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。17、纳米材料的红外吸收谱宽化的主要原因1)尺寸分布效应：通常纳米材料的粒径有一定分布，不同颗粒的表面张力有差异，引起晶格畸变程度也不同。这就导致纳米材料键长有一个分布，造成带隙的分布，这是引起红外吸收宽化的原因之一。2)界面效应：界面原子的比例非常高，导致不饱和键、悬挂键以及缺陷非常多。界面原子除与体相原子能级不同外，互相之间也可能不同，从而导致能级分布的展宽。与常规大块材料不同，没有一个单一的、择优的键振动模，而存在一个较宽的键振动模的分布，在红外光作用下对红外光吸收的频率也就存在一个较宽的分布。18、什么是纳米材料吸收光谱的蓝移与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。19、纳米材料吸收光谱蓝移的原因1)量子尺寸效应：即颗粒尺寸下降导致能隙变宽，从而导致光吸收带移向短波方向。Ball等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级(HOMO)与未被电子占据的分子轨道能级(LUMO)之间的宽度(能隙)随颗粒直径的减小而增大，从而导致蓝移现象。这种解释对半导体和绝缘体均适用。2)表面效应：纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。对纳米氧化物和氮化物的研究表明，第一近邻和第二近邻的距离变短，键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大，结果使红外吸收带移向高波数。20、什么是纳米材料吸收光谱的红移现象在一些情况下，当粒径减小至纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料的“红移”现象，即吸收带移向长波长。21、金属纳米颗粒材料电阻增大原因纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋向于饱和值，随温度的变化趋缓。当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视，最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大，即温度系数变负。22、纳米材料的超顺磁性及原因铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时，进入超顺磁状态。其原因是：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上，易磁化方向做无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现。此时磁化率不再服从居里－外斯定律。23、纳米材料的高矫顽力及原因纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时，通常呈现高的矫顽力。起源有两种模型：(1)一致转动模型；(2)球链反转磁化模型。前者的解释是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴。例如Fe的单磁畴临界尺寸为12nm，Fe3O4为40nm。每个单磁畴的纳米粒子实际上成为一个永久磁铁，要使该磁铁去磁，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，因此具有较高的矫顽力。该模型预测值通常偏高。球链模型认为，由于净磁作用球形纳米Ni粒子形成链状，以此作为理论推导的前提。24、“摔不碎的陶瓷碗”的原因陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。25、纳米材料较高的化学活性和催化活性的原因由于纳米材料的比表面积很大，界面原子数很多，界面区域原子扩散系数高，而表面原子配位不饱和性将导致大量的悬键和不饱和键等，这些都使得纳米材料具有较高的化学活性，许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧。将纳米Er和纳米Cu粒子在室温下进行压结就能够发生反应形成CuEr金属间化合物，而很多催化剂的催化效率随颗粒尺寸减小到纳米量级而显著提高，同时催化选择性也增强。第二章1、什么是光催化纳米半导体材料在光的照射下，通过把光能转化为化学能，促进化合物的合成或使化合物（有机物、无机物）降解的过程称为光催化。2、光照射纳米TiO2的反应（可用反应式表示）3、光生空穴在光催化剂表面发生的氧化还原反应：4、光生电子在光催化剂表面发生的氧化还原反应：5、纳米TiO2半导体粒子产生光催化作用而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性的原因与体相材料不同，纳米半导体材料可以利用太阳能进行光催化反应，例如：粒径为10nm的TiO2半导体粒子，对于光催化有机物显示出高效率的量子效率，而相应的体相半导体上却没有任何光催化活性（1）纳米半导体粒子的量子尺寸效应使导带和价带能级变为分立能级，能隙变宽。纳米半导体粒子获得了更强的还原及氧化能力，从而产生了光催化性能。（2）计算表明，在粒径为的TiO2粒子中，电子从体内扩散到表面的时间约为100ns；而在粒径为10nm的微粒中扩散时间仅为10ps，粒径越小，电子与空穴的复合几率越小，电荷分离效果越好，光催化活性提高。6、纳米TiO2光触媒作用的应用有哪些纳米TiO2光触媒灭蚊器纳米二氧化钛具有催化性质，它可以降解汽车尾气7、纳米TiO2光催化降解氧化有机物的产物是什么降解为小分子，直至变成CO2和H2O8、提高TiO2光催化效率的途径纳米TiO2光催化剂被光辐射激发产生的电子－空穴对虽然具有很高的氧化能力，但在实际应用中存在一些缺陷：光生载流子(h+，e-)很易重新复合，例如在TiO2表面上光生电子和空穴的复合是在小于10-9s的时间内完成，影响了光催化的效率。因此制备高活性光催化剂的突出问题是提高光催化剂中光生电子-空穴的分离效率，抑制电子空穴的重新结合。目前光催化剂的改性研究主要针对TiO2进行金属离子掺杂、贵金属表面沉积、半导体复合、表面光敏化、表面超强酸化等。9、纳米TiO2中掺杂过渡金属离子提高光催化活性的原因当在半导体中掺杂不同价态的过渡金属离子后，半导体的光催化性质被改变。从化学观点看，金属离子是电子的有效接受体，可捕获导带中的电子。由于金属离子对电子的争夺，减少了TiO2表面光生电子与空穴的复合，从而使TiO2表面产生了更多的·OH和O2-，提高了催化剂的光催化活性。10、在纳米TiO2光催化剂的表面沉积贵金属的两个作用是什么有利于光生电子和空穴的有效分离以及降低还原反应(质子的还原、溶解氧的还原)的超电压。贵金属修饰TiO2通过改变体系中的电子分布，影响TiO2的表面性质，进而改善其光催化活性。11、详述CdS-TiO2复合体系提高光催化效率的过程（可以加图示形式）CdS的带隙能为2.5eV，TiO2的带隙能为3.2eV。当以足够的能量辐射时，CdS和TiO2同时发生电子激发，由于两者导带与价带的差异，光生电子将聚集在TiO2的导带上，而空穴则聚集在CdS的价带上，使得光生载流子得到有效的分离，提高了光催化性能;当激发能不足以激发光催化剂中的TiO2时，却能激发CdS，由于TiO2导带比CdS导带电位高，使得CdS上受激产生的电子更易迁移到TiO2的导带上，激发产生的空穴仍留在CdS的价带，这种电子从CdS向TiO2的迁移有利于电荷的分离，从而提高光催化的效率。分离的电子及空穴可以自由地与表面吸附质进行交换。12、列举气相法制备纳米TiO2粉体的五种方法，并写出反应式TiCl4气相氢火焰水解法TiCl4（g）＋2H2(g)＋O2→TiO2(s)＋4HCl(g)TiCl4气相氧化法TiCl4(g)+O2(g)→TiO2(s)+Cl2(g)钛醇盐气相分解法nTi(OC4H9R)4(g)→nTiO2(s)+2nH2O(g)+4nC4H8(g)钛醇盐气相水解法Ti(OR)4(g)+4H2O(g)→Ti(OH)4(s)+4ROH(g)Ti(OH)4(s)→TiO2·H2O(s)+H2O(g)TiO2·H2O(s)→TiO2(s)+H2O(g)物理气相法13、列举液相法制备纳米TiO2粉体的五种方法水解法、溶胶-凝胶法、微乳液法、水热反应法、模板法14、叙述水解法制备纳米TiO2粉体的