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说明纳米材料与常规材料相比有哪些基本特性,简略回答纳米材料的主要应用领域,并请根据纳米粒子的特性着重说明其在催化领域的应用。

发布时间：2025-05-27 20:56:47

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答案：答:纳米材料的基本特性:纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率,它对蠕变、超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质,往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比,纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。具体表现如下: (1)尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长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,非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小,导致声、光电、磁学、热学、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。纳米微粒的小尺寸效应使其具有独特的物理化学性能,从而拓宽了材料的应用范围。 (2)表面效应一般而言,随着微粒尺寸的减小,微粒中表面原子与原子总数之比将会增加,表面积也将会增大,从而引起材料性能的变化,这就是纳米粒子的表面效应。随着纳米粒子粒径的减小,表面原子所占比例急剧增加。当粒径为1nm时,纳米材料几乎全部由单层表面原子组成。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活性,极不稳定,很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中,这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合在一起,而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒子述可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而结合在一起。 (3)量子隧道效应微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应,纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用,如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等,都具有重要意义。 (4)量子尺寸效应各种元素的原子具有特定的光谱线, 无数原子构成固体时,单独原子的能级就并合成能带。由于电子数目很多,能带中能级的间距很小,因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级,能级间的间距随颗粒尺寸的减小而增大。当周围环境中的热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。纳米材料的主要应用领域: (1)纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量转换器件结合而成的传感装置,用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物,是一种全新的检测技术,在生命科学临床诊断,环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。 (2)纳米材料在涂料方面的应用纳米涂料利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解消除作用, 对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能,使室内空气更加清新。 (3)纳米材料在陶瓷上的应用纳米陶瓷,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料它具有的高硬度、高韧性、低温超塑性,易加工等传统陶瓷无与伦比的优点,其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。 (4)纳米材料在磁性材料方面的应用纳米磁性微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构,矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高信噪比,改善图像质量。纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用,由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱、从而达到隐身的作用。另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。纳米材料在催化方面的应用: 在催化剂上,纳米材料有极强的优势,纳米材料的比表面积大、表面活性中心多、这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择性。它可大大提高反应效率、控制反应速度,对比一般的催化剂,用纳米微粒作催化剂的话,可以将反应速度提高10-15倍。