第一篇：纳米材料在电池中的应用(一)要点
纳米材料在电池中的应用(一)
纳米材料的小孔径效应和表面效应与化学电源中的活性材料非常相关,作为电极的活性材料纳米化后,表面增大,电流密度会降低,极化减小,导致电容量增大,从而具有更良好的电化学活性。特别是最富特征的一维纳米材料———纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究已取得了重大突破,因而开辟了全新的科学研究领域。碱性锌锰电池材料 1 1 纳米级γ-ＭｎＯ2
夏熙等利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γ ＭｎＯ2用作碱锰电池正极材料。发现纯度不佳,但与ＥＭＤ以最佳配比混合,可大大提高第2电子当量的放电容量,也就是可出现混配效应。若制得的纳米γ ＭｎＯ2纯度高时,本身的放电容量即优于ＥＭＤ。2 掺Ｂｉ改性纳米ＭｎＯ2
夏熙等通过加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2,采用纳米级和微米级改性掺Ｂｉ ＭｎＯ2混配的方法,放电容量都有不同程度的提高,并且存在一个最佳配比。通过掺Ｂｉ在充放电过程中形成一系列不同价态的Ｂｉ Ｍｎ复合物的共还原和共氧化,有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成,可极大地改善电极的可充性。3 纳米级α-ＭｎＯ2 采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米α ＭｎＯ2,粒径小于50ｎｍ,其电化学活性较高,放电容量比常规粒径ＥＭＤ更大,尤其适于重负荷放电,表现出良好的去极化性能,具有一定的开发和应用潜力。4 纳米级ＺｎＯ
碱锰电池中的电液要加入少量的ＺｎＯ,以抑制锌负极在电液中的自放电。ＺｎＯ在电液中的分散越均匀,越有利于控制自放电。纳米ＺｎＯ在我国已应用于医药等方面。由于碱锰电池朝着无汞化发展,采用纳米ＺｎＯ是可选择的方法之一。应用的关键是要注意纳米ＺｎＯ材料的表面改性问题。5 纳米级Ｉｎ2Ｏ3 Ｉｎ2Ｏ3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一,目前已开发并生产出无汞碱锰电池用高纯纳米Ｉｎ2Ｏ3,该材料具有比表面积大,分散性好,缓蚀效果更佳的特点,应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。在ＭＨ/Ｎｉ电池中的应用 2 1 纳米级Ｎｉ(ＯＨ)2
周震等人用沉淀转化法制备了纳米级Ｎｉ(ＯＨ)2,并发现纳米级Ｎｉ(ＯＨ)2比微米级Ｎｉ(ＯＨ)2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小,充电效率高,活性物质利用更充分,而且显示出放电电位较高的特点。赵力等人用微乳液法制备纳米β Ｎｉ(ＯＨ)2,粒径为40～70ｎｍ。该方法较易控制纳米颗粒粒径大小,并且所制得的纳米材料呈球型或椭球形,适用于某些对颗粒状有特殊要求的场合,如作为氢氧化镍电极的添加剂,按一定比例掺杂,可使Ｎｉ(ＯＨ)2的利用率显著提高,尤其当放电电流较大时,利用率可提高12%。2 纳米晶贮氢合金
陈朝晖等利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶ＬａＮｉ5[6],平均粒径约20ｎｍ,采用该材料制备的电极与粗晶ＬａＮｉ5制备的电极相比,具有相当的放电容量,更好的活化特性,但其循环寿命较短。锂离子电池材料 1 阴极材料———纳米ＬｉＣｏＯ2
夏熙等用凝胶法制备的纳米ＬｉＣｏＯ2,放电容量为103ｍＡｈ/ｇ,充电容量为109ｍＡｈ/ｇ,长平台在3 9Ｖ处,有明显提高放电平台的效果,循环稳定性也大为提高,但未见有混配效应。低热固相反应法合成纳米ＬｉＣｏＯ2,发现了混配效应:以一定比例与常规ＬｉＣｏＯ2进行混配,做成电池测试,充电容量可达132ｍＡｈ/ｇ,放电容量为125ｍＡｈ/ｇ,放电平台在3 9Ｖ,由于纳米颗粒增大了比表面积,令Ｌｉ+更易嵌入和脱出,削弱了极化现象,循环性能比常规ＬｉＣｏＯ2明显提高,显示出较好的性能。2 纳米阳极材料
中国科学院成都有机化学研究所“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作取得了阶段性成果。制得的碳纳米管层间距离为0 34ｎｍ,略大于石墨的层间距0 335ｎｍ,这有利于Ｌｉ+的嵌入和脱出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Ｌｉ+从外壁和内壁两方面嵌入,而且可防止因溶剂化Ｌｉ+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。实验表明,用该材料作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Ｌｉ+容量和稳定性。中国科学院金属研究所等用有机物催化热解法制备出单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。他们的研究表明用纳米碳管作为电极,比容量可达到1100ｍＡｈ/ｇ,且循环性能稳定。香港科技大学用多孔的沸石晶体作载体,首次成功研制出尺寸最小,全球最细且排列规整的0 4ｎｍ单壁纳米碳管,继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。电容器材料
由可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统引起了人们的浓厚兴趣,特别是环保电动汽车研究的兴起,这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源,因而可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求,大大延长蓄电池循环使用寿命,从而提高电动汽车的实用性。近年来以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究和作为电极材料的应用,为更高性能的电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。清华大学用催化裂解丙烯和氢气混合气体制备碳纳米管原料,再采用添加粘结剂或高温热压的工艺手段制备碳纳米管固体电极,通过适当的表面处理,制得的碳纳米管电极具有极高的比表面积利用率。用纳米碳管和ＲｕＯ2的复合电极制备双电层法拉第电容器,在纳米碳管比表面积为150ｍ2/ｇ时,电容量可达20Ｆ/ｇ左右。清华大学已经制备出电容量达100Ｆ的实验室样品。在充分利用纳米材料的表面特性和中空结构上,纳米碳管是目前最理想的超级电容器材料。结束语
ａ 材料的先进性必然会推动电池的先进性,因此纳米材料技术在电化学领域具有十分广阔的前景,不仅可使传统的电池性能达到一个新的高度,更有望开发出新型的电源。
ｂ 由于纳米材料的研究目前大多处于实验室阶段,因此如何制得粒径可控的纳米颗粒,解决这些颗粒在贮存和运输过程中的团聚问题,简化合成方法,降低成本,是今后实用化应注意的问题。
ｃ 纳米材料技术在电池中应用时,应注意相关工艺的匹配,并综合考虑成本,如利用材料的混配效应,而不能仅仅是材料取代的简单考虑。
第二篇：浅谈纳米材料在电池中的应用
浅谈纳米材料在电池中的应用
[论文关键词]：纳米材料 电池 复合材料
[论文摘要]：纳米材料的小孔径效应和表面效应与化学电源中的活性材料非常相关，作为电极的活性材料纳米化后，表面增大，电流密度会降低，极化减小，导致电容量增大，从而具有更良好的电化学活性。特别是最富特征的一维纳米材料纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究已取得了重大突破，因而开辟了全新的科学研究领域。
一、碱性锌锰电池材料
（一）纳米级γ-ＭｎＯ2
夏熙等利用溶胶凝胶法、微乳法、低热固相反应法合成制得纳米级γ-ＭｎＯ2用作碱锰电池正极材料。发现纯度不佳，但与ＥＭＤ以最佳配比混合，可大大提高第2电子当量的放电容量，也就是可出现混配效应。若制得的纳米γ-ＭｎＯ2纯度高时，本身的放电容量即优于ＥＭＤ。
（二）掺Ｂｉ改性纳米ＭｎＯ2
夏熙等通过加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2，采用纳米级和微米级改性掺Ｂｉ、ＭｎＯ2混配的方法，放电容量都有不同程度的提高，并且存在一个最佳配比。通过掺Ｂｉ在充放电过程中形成一系列不同价态的Ｂｉ、Ｍｎ复合物的共还原和共氧化，有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成，可极大地改善电极的可充性。
（三）纳米级α-ＭｎＯ2
采用固相反应法合成不含杂质阳离子的纳米αＭｎＯ2，粒径小于50nｍ，其电化学活性较高，放电容量比常规粒径ＥＭＤ更大，尤其适于重负荷放电，表现出良好的去极化性能，具有一定的开发和应用潜力。
（四）纳米级ＺｎＯ
碱锰电池中的电液要加入少量的ＺｎＯ，以抑制锌负极在电液中的自放电。ＺｎＯ在电液中的分散越均匀，越有利于控制自放电。纳米ＺｎＯ在我国已应用于医药等方面。由于碱锰电池朝着无汞化发展，采用纳米ＺｎＯ是可选择的方法之一。应用的关键是要注意纳米
ＺｎＯ材料的表面改性问题。
（五）纳米级Ｉｎ2Ｏ3
Ｉｎ2Ｏ3是碱锰电池的无机代汞缓蚀剂的选择之一，目前已开发并生产出无汞碱锰电池用高纯纳米Ｉｎ2Ｏ3，该材料具有比表面积大，分散性好，缓蚀效果更佳的特点，应用于无汞碱锰电池具有良好的抑制气体产生的作用。
二、在ＭＨ/Ｎｉ电池中的应用
（一）纳米级Ｎｉ（ＯＨ）2
有人用沉淀转化法制备了纳米级Ｎｉ（ＯＨ）2，并发现纳米级Ｎｉ（ＯＨ）2比微米级Ｎｉ（ＯＨ）2具有更高的电化学反应可逆性和更快速的活化能力。采用该材料制作的电极在电化学氧化还原过程中极化较小，充电效率高，活性物质利用更充分，而且显示出放电电位较高的特点。赵力等人用微乳液法制备纳米β Ｎｉ（ＯＨ）2，粒径为40～70ｎｍ。该方法较易控制纳米颗粒粒径大小，并且所制得的纳米材料呈球型或椭球形，适用于某些对颗粒状有特殊要求的场合，如作为氢氧化镍电极的添加剂，按一定比例掺杂，可使Ｎｉ（ＯＨ）2的利用率显着提高，尤其当放电电流较大时，利用率可提高12%。
（二）纳米晶贮氢合金
陈朝晖等利用电弧熔炼高能球磨法制备出纳米晶ＬａＮｉ5，平均粒径约20ｎｍ，采用该材料制备的电极与粗晶ＬａＮｉ5制备的电极相比，具有相当的放电容量，更好的活化特性，但其循环寿命较短。
三、锂离子电池材料
（一）阴极材料纳米ＬｉＣｏＯ2
夏熙等用凝胶法制备的纳米ＬｉＣｏＯ2，放电容量为103ｍＡｈ/ｇ，充电容量为109ｍＡｈ/ｇ，长平台在39Ｖ处，有明显提高放电平台的效果，循环稳定性也大为提高，但未见有混配效应。低热固相反应法合成纳米ＬｉＣｏＯ2，发现了混配效应:以一定比例与常规ＬｉＣｏＯ2进行混配，做成电池测试，充电容量可达132ｍＡｈ/ｇ，放电容量为125ｍＡｈ/ｇ，放电平台在39Ｖ，由于纳米颗粒增大了比表面积，令Ｌｉ+更易嵌入和脱出，削弱了极化现象，循环性能比常规ＬｉＣｏＯ2明显提高，显示出较好的性能。
（二）纳米阳极材料
中国科学院成都有机化学研究所“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作取得了阶段性成果。制得的碳纳米管层间距离为0.34ｎｍ，略大于石墨的层间距0.335ｎｍ，这有利于Ｌｉ+的嵌入和脱出，它特殊的圆筒状构型不仅可使Ｌｉ+从外壁和内壁两方面嵌入，而且可防止因溶剂化Ｌｉ+的嵌入引起石墨层剥离而造成负极材料的损坏。实验表明，用该材料作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显着提高负极材料的嵌Ｌｉ+容量和稳定性。中国科学院金属研究所等用有机物催化热解法制备出单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。他们的研究表明用纳米碳管作为电极，比容量可达到1100ｍＡｈ/ｇ，且循环性能稳定。香港科技大学用多孔的沸石晶体作载体，首次成功研制出尺寸最小，全球最细且排列规整的0.4nｍ单壁纳米碳管，继而又发现在超导温度15℃以下呈现出特殊的一维超导特性。
四、电容器材料
由可充电电池和电容器共同组合的复合电源系统引起了人们的浓厚兴趣，特别是环保电动汽车研究的兴起，这种复合电源系统可在汽车启动、爬坡、刹车时提供大功率电源，因而可以降低电动车辆对蓄电池大功率放电的限制要求，大大延长蓄电池循环使用寿命，从而提高电动汽车的实用性。近年来以纳米碳管为代表的纳米碳材料的研究和作为电极材料的应用，为更高性能的电化学超级电容器的研究开辟了新的途径。清华大学用催化裂解丙烯和氢气混合气体制备碳纳米管原料，再采用添加粘结剂或高温热压的工艺手段制备碳纳米管固体电极，通过适当的表面处理，制得的碳纳米管电极具有极高的比表面积利用率。用纳米碳管和ＲｕＯ2的复合电极制备双电层法拉第电容器，在纳米碳管比表面积为150ｍ2/ｇ时，电容量可达20Ｆ/ｇ左右。清华大学已经制备出电容量达100Ｆ的实验室样品。在充分利用纳米材料的表面特性和中空结构上，纳米碳管是目前最理想的超级电容器材料。
五、结束语
首先，材料的先进性必然会推动电池的先进性，因此纳米材料技术在电化学领域具有十分广阔的前景，不仅可使传统的电池性能达到一个新的高度，更有望开发出新型的电源。其次，由于纳米材料的研究目前大多处于实验室阶段，因此如何制得粒径可控的纳米颗粒，解决这些颗粒在贮存和运输过程中的团聚问题，简化合成方法，降低成本，是今后实用化应注意的问题。再次，纳米材料技术在电池中应用时，应注意相关工艺的匹配，并综合考虑成本，如利用材料的混配效应，而不能仅仅是材料取代的简单考虑。
第三篇：碳基薄膜在纳米晶TiO2 DSSC 电池中的应用和性能研究
碳基薄膜在纳米晶TiO2 DSSC 电池中的应用和性能研究
作 者：**
（电子工程学院、集成电路0701）
指导教师：**(西安邮电学院、讲师)摘要：
染料敏化太阳能电池(DSSC)是新一代的光电池，有着极大的应用前景。本文在查阅大量DSSC相关资料的基础上，介绍了染料敏化太阳能电池的基本结构、工作原理；采用传统的半导体工艺、丝网印刷和电泳沉积等多种技术，设计制备出碳基薄膜对电极的染料敏化纳米晶TiO2太阳能电池。另外，做出了工作总结并展望染料敏化电池的发展。具体的内容如下：
1、采用Protel软件设计出染料敏化太阳能电池的基本结构，绘制出光绘片；
2、利用半导体工艺中的匀胶、曝光、显影和刻蚀等技术，在ITO玻璃上制备出染料敏化太阳能电池的电极；
3、采用超生波分散技术制备出TiO2浆料，并利用丝网印刷技术印刷TiO2浆料，经烧结后形成染料敏化太阳能电池的光阳极。
4、采用电泳沉积技术在光阴极玻璃电极上电镀碳基薄膜，采用金相显微镜对TiO2膜和碳薄膜进行表征。
5、采用热封膜对电池组件进行封装，并利用微量进样器注入电解液。
6、在太阳能模拟光源的条件下，用万用表进行电池测试。
7、分析表征图像和测试数据。
关键词：太阳能电池，纳米TiO2薄膜，染料敏化，碳对电极
Author: Chen Xin(Electronic Engineering,IC design and intergration system,grade 2007,class 01)
Faculty adviser:Shang Shi-guang Xi’an University of Post and Telecommunications,lectuer
Abstract Dye-sensitized Solar Cells(DSSC)are the next generation solar cells with great application prospect.In this paper, based on the relative reference of dye-sensitized solar cells, the structure and working principle of dye-sensitized solar cell are described.The design and preparation of dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells with carbon-based films were completed by conventional semiconductor process, screen printing and electrophoretic deposition technology.In addition, a summary of the work and the development prospect of dye sensitized solar cells were proposed.The main contents are as following:
1.Designing the basic structure of dye-sensitized solar cell by the software protel 99 SE, and gerbering drawn film.2.Preparing the electrodes a dye-sensitized photovoltaic solar cell on ITO glasses by semiconductor technologies, such as spin coating, exposure, development and etching.3.The use of ultrasonic wave dispersion TiO2 slurry prepared and printed by screen printing technique TiO2 film formed by sintering the photoelectric dye-sensitized solar pole.4.Plating carbon film on the photocathode glass by electrophoretic deposition technology, and characterizing TiO2 film and carbon film by optical microscope.5.Using sealing flim to package the solar cell and injecting the electrolyte solution by micro-injector.6.Testing the solar cells with multimeter under simulated solar light condition.7.Analyzing images and test data.Keywords:Solar Cells, Nano TiO2 film, Dye-sensitization, Carbon counter electrode 1 染料敏化太阳能电池简介
染料敏化太阳能电池（Dye-sensitized Solar Cells，DSSC电池)是一种电化学太阳电池,但与常规的电化学太阳电池相比,在半导体电极与染料上有很大的改 进。
1.1 DSSC 电池结构
DSSC电池具有类似三明治的结构(如图1-l所示)，主要由导电膜、导电玻璃、纳米晶半导体多孔膜(如TiO2，ZnO，Nb2O5，SnO2等一些列宽禁带半导体材料)、染料光敏化剂、电解质(I-/I3-)和对电极（也叫反电极或光阴极）等组成。导电玻璃厚度一般为3mm，表面上镀有一层0.5~0.7μm厚的掺F的SnO2膜或氧化铟锡(ITO)膜[1]。
图1-1：染料敏化太阳能电池的组成结构[2]
1.2 DSSC 电池工作原理
光敏染料分子吸收太阳光跃迁至激发态，处于激发态的染料向半导体的导带内注入电子借以实现电荷分离，是光电化学电池的基本原理。最具代表性的染料敏化太阳能电池是Grazel电池，工作原理如图1-2所示。在该类装置中，纳米TiO2不仅作为光敏染料的支持剂，而且作为电子的受体和导体。TiO2是一种宽禁带的n 型半导体，其禁带宽度为3.2eV，而且只能吸收波长小于375nm的紫外光，可见光却不能将它激发，需要对它进行一定的敏化处理，即在TiO2表面吸附染料光敏剂，这样在可见光的作用下染料分子吸收太阳光能，使跃迁至激发态，处于激发态的电子不稳定，会很快地进入较低能级的TiO2导带，从而有效地产生电子-空穴对。
图1-2：染料敏化太阳能电池工作原理图[1]
光电转换机理[3]：(1)太阳光照射到电池上，基态染料分子(S)吸收太阳光能量被激发，染料分子中的电子受激跃迁到激发态(S*)；(2)激发态的电子快速注入到TiO2导带中；(3)电子在TiO2 膜中迅速传输，在导电基片上富集，并通过外电路流向对电极；(4)在对电极附近，电解质溶液得到电子而还原；(5)处于氧化态的染料分子(S+)与电解质(I-/I3-)溶液中的电子供体(I-)发生氧化还原反应而回到基态，染料分子得以再生。碳基薄膜染料敏化太阳能电池的制备工艺
2.1 掩模光绘片设计
本实验采用Protel99SE软件进行掩膜板的绘制，制成的光绘片如图2-1所示：
图2-1(a)总体图形
图2-1(b)：实物光绘片（左图为光阳极，右图为对电极）2.2 光阳极制备（1）光阳极电极制备
利用绘制好的光绘片，采用微电子工艺在ITO导电玻璃上进行涂胶、光刻、刻蚀，制备出 DSSC 电池的图形化的导电基底。
制备步骤为：a.利用玻璃切割机切割出尺寸为20mm25mm 长方形玻璃；b.采用KW-5型号匀胶机涂胶，转速Ⅰ700转/分钟（时间18s），转速Ⅱ2500转/分钟（时间25s），前烘时间12~15min；c.采用型号为 JKG-2A光刻机曝光，曝光时间22s，显影45s，定影30s，坚膜时间为45min，温度为140℃；d.配制35ml HCL：H2O：HNO3=4：2：1（HCl浓度36.5%~37.5%，HNO3浓度70%）的混合溶液，在45℃ 水浴中去除ITO，再用NaOH溶液去除多余的胶。（2）光阳极TiO2 膜制备
本实验用溶胶-凝胶法制纳米二氧化钛，再用丝网印刷法印刷出TiO2薄膜。印刷完成后，在室温干燥10min，在50℃下处理15 min，再以20-50℃/ min 的速率升温至250℃烧结，恒温2h。（3）染料敏化TiO2 膜
本实验使用标准染料DHS-N719。
染料敏化液的配制：0.2-0.3 M的乙腈与叔丁醇（试剂如图3-16）进行体积比为1:1的配置(乙腈与叔丁醇各10mL)作为溶剂，或者用乙醇溶液将作为溶剂。然后将7.2mg染料固体溶解在20mL溶剂中，等溶液均匀即可。
将已经做好TiO2薄膜的玻璃放入容器中，加入染料敏化液，密封、避光，浸泡12h-24h 后取出，取出后用酒精溶液冲洗一下多余的染料浮液。2.3 光阴极制备（1）光阴极电极制备
光阴极电极的制备工艺与光阳极的是相同的，只是在曝光的时候用的是阴极的光绘片。当阴极图形刻蚀完成后，在进行碳薄膜制备前要在有电极的上边缘打一个小孔，以便于注入电解液。（2）光阴极碳基薄膜制备
传统的碳纳米管薄膜加工方法包括[4]：化学气相沉积(CVD)、丝网印刷、吸附、烧结、电泳等。CVD方法的加工过程需要高真空、高温，对生长碳纳米管的基底有很高的要求，并且引入了不易去除的金属催化剂；丝网印刷方法引入了有机添加剂，薄膜厚度、均匀度不易控制，且碳纳米管和基底的结合只依靠有机质粘接和碳纳米管基底之间的范德华力，难以保证其电学和力学性能；而吸附、烧结等方法对基底和碳纳米管有较高的处理要求，引入了部分难以去除的杂质，且大都很难与现有的微电子工艺相兼容。目前，电泳的方法被应用于碳材料的成膜。电泳（electropho-resis）是指在直流电场中，带电粒子向带符号相反的电极 移动的现象。
本实验用了两种成膜方法来制备碳基薄膜： a.丝网印刷碳纳米管
跟印刷TiO2的方法是一样的，只需将TiO2换成碳纳米管，再选择对电极的图形印刷就可以了。
b.电泳技术制备
所需器材：恒温磁力搅拌器，直流可调稳压电源，导线若干，碳棒一根（不锈钢材料也可以），100mL烧杯一个（用做电泳槽）
溶液配制：碳黑1g，硝酸镁0.8g，异丙醇60mL，将三者混合配成溶液。用磁力搅拌器搅拌23小时。
电镀：加直流电压10V~30V，碳棒接阳极，图形化的对电极ITO玻璃接阴极。当电源接通后，在加10V电压的条件下，电流显示为0.06A（每片玻璃在不同电压下显示的电流均不一样，都小于0.1A），并且递减为0A，电泳时间为3分钟，此时，说明电镀已经完成，因为镀膜不导电。也可加大电压来控制电泳的速度和膜的厚度。这需要多次反复实验来验证。
经多次反复实验，阳极与阴极距离2.5cm 时，薄膜比较均匀，效果比较好。电镀完成后再烧结，调节温度300℃，恒温2.5h。烧结后的薄膜颜色呈暗灰色。封装与测试
3.1 电池的封装
本实验用热封膜将两电极封装。
所需器材：热封台、小刀、微量进样器、直尺。
所需试剂：热封膜（Surlyn®1702）、电解液（DHS-E23）。（1）用封装膜封装
电镀的碳薄膜比一般丝网印刷的要厚，所以电镀的碳薄膜要采用两层膜进行封装，丝网印刷的碳纳米管薄膜用一层膜封装。
封装步骤：a.先用纸做出一个能很好地套合TiO2膜和碳薄膜的封装膜模型，再按照模型用小刀与直尺两工具进行膜的裁剪，得到完好的封装膜。b.将印有TiO2的ITO玻璃平放在实验台上，把封装膜对齐到ITO玻璃上，再将对电极导电面扣在上面（可以用小夹子来固定），用热封台加热玻璃电极使热封膜发挥作用，大约5分钟即可。（2）注入电解液
用10μL的微量进样器（如图3-1）吸取1μL的DHS-E23电解液，将针头对准对电极上的小孔，轻微的在小孔里滴入一滴电解液，通过电池内外压强差和毛 细现象将之灌入。再用热封装薄膜以及载玻片在烙铁或者热封台的加热下将小孔热封。注入电解液过程如图3-2所示，成品电池如图3-3所示。
图3-1：微量进样器 图3-2：电解质注入
图3-3：封装好的电池
3.2 碳薄膜表征与分析
本实验用金相显微镜观测膜表面特征。电脑型金相显微镜系统是将传统的光学显微镜与计算机（数码相机）通过光电转换有机的结合在一起，放大倍数可以达到上千倍，不仅可以在目镜上作显微观察，还能在计算机（数码相机）显示屏幕上观察实时动态图像。（1）电泳法制备的碳薄膜表征
a.电泳液没有用磁力搅拌器搅拌
图3-4：电泳碳薄膜表征图（1）
b.电泳液用磁力搅拌器搅拌24小时。
图3-5：电泳碳薄膜表征图（2）
图分析结果：由图3-4和3-5对比可以看出，经磁力搅拌器搅拌的电泳液粒子分散的更均匀，电镀的碳薄膜也会比较好。(2)丝网印刷的碳薄膜表征
图3-6：丝网印刷碳薄膜表征
图3-6中的碳薄膜是在250℃条件下恒温烘焙2h，冷却后在金相显微镜下观测到的图形。图3-6与图3-5相比较，碳薄膜不够致密。采用电泳的方法沉积的碳薄膜,与丝网印刷法制得的阴极相比分布更为均匀,且厚度更容易控制。3.3 电池的测试与分析(1)电池的测试
将封装好的电池拿到室外阳光较好的地方，先用万用表测试。阴极和阳极电极分别接万用表的两根线，万用表打到伏安档。测得结果如下：a.电镀碳薄膜电池的正向开路电压为0.065V；b.碳纳米管薄膜电池的正向开路电压为0.038V。测试过程如图3-7所示（本实验也可以进一步在太阳模拟器下进行，如图3-8）。
图3-7：室外万用表测试电池
图3-8：室内太阳能模拟器下测试电池
（2）结果分析
a.测得的数据比预期的小一个数量级
对于这一点分析可能有以下原因：①工艺制备中电极基底的刻蚀中导电膜可能有损伤，使导电性能有所下降；②用热封膜封装的时候，碳薄膜和TiO2膜叠 加后膜比较厚，而采用的封装膜厚度不够，导致两电极间空隙减少；③注入的电解液较少，导致光照下电解质进行氧化还原反应的能力下降。
由②也可以导致③。
b.电镀的碳薄膜电池比丝网印刷的碳薄膜电池的性能好
通过对两种碳薄膜电池进行测量可以看出，电镀的碳薄膜电池的开路电压、短路电流均比丝网印刷的碳薄膜电池的要高。导致此现象出现的原因可以从以下几点分析：①用电泳技术电镀的碳薄膜比丝网印刷的碳薄膜分散的均匀；②薄膜有效导电面积会影响短路电流；③开路电压受到电解质氧化还原电位与半导体费米能级的影响，本电池中电解质含量比较低，然而前者电压大于后者主要是半导体膜的不同导致的。总结
电泳方法是利用直流电场使悬浮溶液中的带电离子包裹住粒子在电性相反的电极板上沉积一层均匀的薄膜。我们发现采用电泳的方法沉积的碳薄膜，与丝网印刷法制得的阴极相比分布更为均匀，且厚度更容易控制。由于本实验配制电泳液时使用了碳黑，而丝网印刷的是碳纳米管，且碳纳米管具有较小的曲率半径，较大的长径比，极高电导率，卓越的机械强度和化学稳定性等优点，因此，可以考虑用电泳法沉积碳纳米管薄膜，这样既可以提高电泳碳薄膜电池的性能，也使电泳法与丝网印刷技术更具对比性。
电池的性能也受阳极TiO2膜的影响，可以考虑印刷两层膜，即先印刷一层TiO2+CNT薄膜，并在烘箱中将其烘培1h，温度定为140℃；烘干后继续印刷一层TiO2膜，再将实验品放入烘箱中烘培2h。这是由于一维纳米材料碳纳米管不但可大大缩短电子传输距离，还可以抑制电子复合，使电子传输效率提高。用印刷两层膜的方法也可能会提高电池的性能。
参考文献
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镍/碳纳米管复合薄膜的制备及其性能的研究微细加工技术[J] 2008年4月第2期
第四篇：纳米材料的制备及应用要点
本科毕业论文(设计)
题目： 纳米材料的制备及应用
学院： 物理与电子科学学院
班级： XX级XX班
姓名： XXX
指导教师： XXX 职称：
完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日
纳米材料的制备及应用
摘要:近几年来，由于纳米材料有众多特殊性质，人们越来越关注纳米材料。科技的迅猛发展使纳米材料的制备变得更加成熟。本论文讲述纳米材料的制备，以及纳米技术在将来的应用。关键词：纳米材料 物理方法
化学方法应用前景
目 录
引言..................................................................................................................1 1.纳米材料的物理制备方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸发—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加热蒸发法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸发—冷凝法........................................................................4 1.3.3.电子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等离子体法.................................................................................5 1.3.5.高频感应加热法.........................................................................5 1.4.溅射法..................................................................................................6 2.纳米材料的化学制备方法.................................................................................7 2.1化学沉淀法............................................................................................8 2.2化学气相沉积法...................................................................................8 2.3化学气相冷凝法....................................................................................10 2.4溶胶--凝胶法.......................................................................................10 2.5水热法.................................................................................................11 3.纳米材料的其他制备方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2静电纺丝法..........................................................................................13 4.纳米材料的应用前景.....................................................................................14 5.总结.............................................................................................................14 参考文献..........................................................................................................15 致谢................................................................................................................16
引言
纳米材料是指任一维空间尺度处于1—100nm之间的材料。它有着不同寻常的性质，如小尺寸效应可引起物理性质的突变，从而具有独特的性能；量子尺寸效应和表面与界面效应使其具有了一般大颗粒物不具备的性质，如对红外线、紫外线有很强的反射作用，应用到纺织品中有抗紫外线，隔热保温作用。纳米材料的这些特性使其在化工、物理、生物、医学方面都有非常重要的价值[1]。多年以来，通过科学家们的潜心研究，使纳米材料在其制备及其应用中得到了很大的发展。纳米材料将逐渐进入人们的日常生活，并将成为未来新工业革命的必备材料。
1.纳米材料的物理制备方法 1.1物理粉碎法
物理粉碎法就是用机械粉碎和电火花爆炸等方法得到纳米微粒[2]。此方法操作简单，成本较低，但得到的纳米微粒纯度不高，分布也不均匀。
图1.机械粉碎法仪器图
1.2球磨法
球磨法是将材料放入球磨机内，在球磨机的转动或振动过程中，钢球与原料之间产生剧烈的碰撞，再经过搅拌、研磨，形成纳米微粒。该方法操作比较简单，效率高，能获得常规方法不易得到的高熔点合金，如金属陶瓷纳米微粒；球磨法此外还可以将相图上本来不互溶的纳米元素制成固溶体，但该方法得到的纳米微粒分布不均匀，而且很容易引入新的杂质，有次得到的纳米微粒纯度不高。
图2.球磨法示意图
1.3.蒸发—冷凝法
蒸发-冷凝法也称为物理气相沉积法，即使用激光、电子束照射、真空蒸发、电弧高频反应等方法使原料生成等离子体，再在介质中冷却凝结行成纳米微粒。这种方法大致又分一下几种: 1.3.1.激光加热蒸发法
光加热蒸发法：用激光作为加热源，气相反应物可在吸收传递能量之后快速凝结成核、长大、终止[3]。用该方法可以达到减少杂质的目的，实验过程容易控制，但这种方法电能消耗比较大，生产效率低，成本高，不宜大规模生产。
图3.激光加热蒸发法制备纳米颗粒实验装置图
图4.激光加热法制成的TiO2颗粒
1.3.2.真空蒸发—冷凝法
真空 蒸发—冷凝法：在真空室里通入惰性气体（He、Ar气），然后对物质进行真空加热，使其蒸发形成原子雾，原子雾遇冷凝结形成纳米颗粒[4]。这种在高温下获得的纳米微粒很小（可小于10nm），在制备过程中无其它杂质污染，反应快，成品纯度高，材料组织好。但这种方法仅能制备成分单
一、熔点低的物质。在制备金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在很大局限性。而且此方法对设备要求高、成本也比较高，不适合大规模生产。
图5.真空蒸发—冷凝法制备纳米颗粒示意图
1.3.3.电子束照射法
电子束照射法：原材料（一般指金属氧化物）在高能电子束的照射下获得能量，金属—氧键断裂，金属原子蒸发后遇冷凝结成核、长大，最终形成纳米微粒。此方法只可以用来制备金属纳米粉末。
图6.电子束照射法制备纳米微粒装置图
1.3.4.等离子体法
等离子体法：原材料在惰性或反应性氛围中，通过直流放电来使气体电离，从而熔融、蒸发、冷凝得到纳米微粒[5]。用此种方法制得的产品分布均匀、纯度高，适合于金属及金属氧化物、碳化物、氮化物等高熔点物质纳米微粒的制备。但此方法离子枪短、功率低。
图7.等离子体法制备纳米微粒实验装置图
1.3.5.高频感应加热法
高频感应加热法：用高频线圈作为热源，坩埚内的原材料在低压气体（一般为He、Ne等惰性气体）中蒸发，原子蒸发后与惰性气体碰撞凝结行成纳米微粒[6]。此方法仅限于制备低熔点的物质，并不适合于沸点高的金属盒难熔化物质，且成本加高，一般不采用。
图8.高频感应加热法制备纳米纳米微粒实验装置图
1.4.溅射法
溅射法：用两块金属板分别作为阴极和阳极，两极之间充入Ar气，压强在40—250Pa。由于两极放电使得Ar气体电离且撞击阴极材料表面，阴极材料表面的分子或原子蒸发出来沉积到基片上，形成纳米颗粒[7]。目前，常用的溅射法有离子束溅射法，阴极溅射法，直流磁控溅射法等。此方法有镀膜层与基材结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。但产品分布不均匀，产量较低。
图9.溅射法制备纳米微粒原理图
2.纳米材料的化学制备方法
纳米材料的化学制备方即通过化学反应，从原子、离子、分子出发，制备纳米微粒。常用的化学制备法有沉淀法、气相沉积法、等离子体诱导化学气相沉积法、气相冷凝法、溶胶冷凝法、光化学合成法、化学气相反应法、水热法、熔融法、火焰水解法、辐射合成法等。
2.1化学沉淀法
化学沉淀法：在金属盐溶液中加入适量的沉淀剂，使其反应生成难溶物或水和氧化物，再经过虑、干燥、分解得到纳米化合物微粒；化学沉淀法又有均匀沉淀法、直接沉淀法、醇盐水解沉淀法、共沉淀法；其中，均匀沉淀法是预沉淀剂在溶液中缓慢反应释放出沉淀剂，沉淀剂与金属离子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀剂与金属离子直接反应形成沉淀
[8]；醇盐水解沉淀法就是金属醇盐遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金属盐溶液中加入沉淀剂，获得混合沉淀，再进行热分解或得纳米微粒；此方法是液相化学合成纳米微粒应用最多的方法之一，其中关键是控制粉末成分的均匀，避免形成硬团聚。这种方法在冷冻干燥过程中，冷冻液体不收缩，形成的纳米微粒表面积较大，可以很好的消除粉末团聚现象[9]。沉淀法制备纳米微粒时成品的影响因素比较多，如过滤过程，洗涤液的浓度、酸碱度等都会影响纳米微粒的大小；此种方法操作简单，但很容易引入新的杂质，影响产品的纯度。2.2化学气相沉积法.化学气相沉积法又叫CVD法，就是原材料在气相中发生化学反应得到纳米材料，所用的加热源与物理气相沉积法相同[10]。普通的化学气相沉积法得到的纳米微粒易团聚烧结，而且比较粗，用等离子体增强化学气相沉积法就可以很好的避免上述情况的发生。化学气相沉积法得到的纳米微粒分布比较均匀，粒度小，纯度高，化学活性高，而且成本低、生产效率高，是目前制备纳米材料最常用的方法之一。此外，化学气相沉积法由于制备工艺简单，设备投资少，方便操作，适于大规模生产，工业应用前景较好。化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属、氮化物、氧化物、碳化物、复合氧化物等膜材料。随着制备纳米材料的技术逐步完善，化学气相沉积法将会由更广泛的应用[11]。
图10.化学气相沉积法制备纳米微粒的实验装置图
图11.化学气相沉积法制备纳米微粒的原理图
图12.化学气相沉积法获得的各种形态固体示意图
2.3化学气相冷凝法
化学气相冷凝法就是在真空室中充入惰性气体，压强在10Pa左右，原材料和惰性气体先在磁控溅射装置中反应，在经过冷凝得到纳米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，简称CVC法，目前已经成功应用这种方法获得了二氧化钛、二氧化锆、氮化硅、碳化硅的纳米材料[12]。2.4溶胶--凝胶法 溶胶--凝胶法是以易溶于水的金属化合物为原材料，使其在溶液中与水反应，溶质发生水解生成纳米级的微粒并形成溶胶，溶胶经过蒸发、干燥转变为凝胶(该法在低温下反应，允许掺杂大量的无机物和有机物)，再经过干燥、烧结等后处理获得氧化物纳米微粒；这种方法常涉及的反应有聚合反应、水解反应[13]。目前，溶胶--凝胶法一般又分为两种：胶体化学法和金属醇盐水解法。其优点是操作简单，在低温环境下就可以获得分布均匀、纯度较高的纳米微粒，而且可以用来获得一般方法难以得到纳米材料。用溶胶－凝胶法制备的 10
纳米材料有多孔状结构，表面积较大，在气敏、湿敏及催化方面有很大的应用，可以使气敏、湿敏特性和催化率得到较大提高。此外，这种方法是制备涂层以及薄膜非常有效的方法之一，也特别适合制备非晶态纳米材料。但这种方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收缩、开裂，所以使用范围不广。
图13.溶胶--凝胶法制备纳米材料的流程图
2.5水热法
水热法是指在封闭的反应容器中，将水溶液作反应体系，对水溶液加热增大体系压强来制备无机材料，再经过分离、热处理得到纳米微粒；离子反应和水解反应在水热条件下可得到加速、促进，常温下反应很慢的热力学反应，在水热条件下就可以快速反应；在高压下，大部分反应物能部分溶于水中，使得反应在液相或气相中进行[14]。
水热法可以控制微粒的形态、结晶度、组成和大小，使用此法获得的粉体具有较低的表面能，因此粉体一般无团聚或少团聚。这一特点大幅度提高了粉体的烧结性能，所以此法非常适合于陶瓷的生产；并且，水热法的反应温度低，活性高，为大规模的生产纳米材料提供了非常有利的条件；水热法的低温 11
条件有利于合成熔点较低的化合物；水热法合成的高压和低温条件，便于制成晶型完好、取向规则的晶体材料，而且合成产物的纯度较高。水热法缺点是一般只能制备氧化物纳米粉体，对晶核的形成过程以及晶体生长过程中的控制影响因素等许多方面还缺乏深入研究。此外，水热法制备过程中有高温、高压步骤，对生产设备的安全性要求较高。3.纳米材料的其他制备方法
纳米材料的制备方法有很多种，除了上述方法之外还有分子束外延法、静电纺丝法等。3.1分子束外延法
分子束外延法就是在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜。在真空条件下，加热装有各种所需组分的炉子，产生蒸汽，蒸汽通过小孔形成分子束或原子束，直接喷到单晶基片上，同时控制分子束，对衬底扫描，就可以使按晶体排列的分子或原子一层层地生长在基片上形成薄膜[15]。
图14.分子束外延法原理图
分子束外延法生长温度低，能减少不希望的热激活过程，生长速度缓慢，外延层厚度可得到精确控制；生长表面可达到原子级光滑度，可制备极薄的薄膜；生长的薄膜可以保持原来靶材料的化学计量比；把分析测试设备与生长系统结合在一起，实现薄膜生长的原位监测[16]。分子束外延法也有不足的地方，如对真空要求非常高，分子束外延设备贵投资大，能耗大。3.2静电纺丝法
静电纺丝法是在高压电场作用下使聚合物溶液或熔体带上高压静电，当电场力达到一定程度时，聚合物液滴在电场力作用下克服表面张力形成喷射流[17]。喷射时，射流中的溶液发生蒸发或自身发生固化形成纤维，最终落在接收装置上，获得纳米材料。
图15.所示为静电纺丝原理图
静电纺丝法制备纳米材料优点很多，如装置简单、成本低、可纺物多、工艺易控制，是制备纳米纤维材料的有效方法。纳米技术的发展使静电纺丝作为一种简便有效的生产纳米纤维的新型制备技术，将会在生物、医用、催化、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大的作用。4.纳米材料的应用前景
纳米材料有很多优异的特点，使得纳米材料有很多不同于一般材料的奇特性质。纳米材料的应用有着广阔的应用前景。采用纳米技术制造的纳米结构微处理器在微电子和计算机技术方面其效率要比普通微处理器的效率高100万倍；纳米存储器的密度比普通存储器的要高1000倍；而纳米技术与集成技术结合又可制成纳米传感器；用纳米材料做成的具有巨大表面积的电极，可以大幅度的提高放电效率；用纳米材料制成的磁记录材料可以将磁带记录的密度提高数十倍。在环境与能源方面，纳米材料可提高太阳能电池的能量转换效率，还可以用来消除空气中的污染物。例如将Ti02催化剂涂在物体上，可以使物体具有自洁功能，任何粘在物体表面上的物质（油污、细菌）在光的照射下，通过Ti02催化剂催化作用，变成气体或容易被擦掉的物质。纳米催化剂还可以彻底消除水或空气中的有害物质。纳米材料在减少环境污染、净化环境上有广阔的应用前景。在生物学工程与医学方面，将磁性纳米材料做为药物载体，在外磁场作用下集中于病患处，有利于提高药效，也可以减少药物副作用[18]。用纳米材料制成的溶液加上抗原或抗体，可以实现免疫学的间接凝聚实验,实现快速诊断。用纳米材料制成的机器人，用来人体进行全方位的检查，可消除血栓、心脏动脉脂肪沉积物。5.总结
纳米材料作为一种新兴材料，具有十分广阔和诱人的发展前景。纳米材料的制备方法和技术将随着科学技术的发展更加成熟，将对人们的生活和人类生产力的发展产生重大的影响。
随着纳米技术的发展，各个学科领域都开始广泛应用纳米材料。这必将会不断出现更新更好的制备方法，希望在将来以下几个方面可取得突破。
(1)在结构、组成、排布、尺寸、等方面，制备出更适合各领域发展需要，具有更多预期功能的纳米材料；
(2)从节能、节约材料、提高效率等角度出发，研制出更多的新设备，以便制备出更多的新型纳米材料；
(3)设计出新的制备方法，采用新的制备工艺，在原有纳米材料的基础上，提高纳米材料的功能。
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致谢
本论文在XXX的悉心指导下完成的，她渊博的专业知识，严谨的治学态度使我受益非浅。在此谨向XXX老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助。
The preparation of nanomaterials and their application prospects
Abstract：Nanomaterials are attracting great intense in recent years，for its special properties.With the rapid develope of science and technology , the preparation of nanomaterials has become more skilled.In this paper we mainly introduce the preparation of nanomaterials,including physical and chemical methods,and prospect of nanotechnology in 21st.Keywords: nanomaterials physical method chemical method application prospect
第五篇：纳米材料研究现状及应用前景要点
纳米材料研究现状及应用前景
摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。
关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言
自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属 有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体(零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等)、纳米纤维(一维纳米材料)、纳米薄膜(二维纳米材料)、纳米块体(三维纳米材料)、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合(0-0 复合)、纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)、纳米微粒与薄膜复合(0-2 复合)、不同材质纳米薄膜层状复合(2-2 复合)等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。
我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控，并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化锆晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变； 在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁熵变超过金属Gd；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常Hall-Petch效应等。纳米材料制备技术现状
纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳米材料的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 纳米材料的力学和热学性能
纳米材料由于其独特的结构，因而与常规材料相比，在力学和热学上表现出一些奇异的特性。实验表明，粒径达8nm的铁的强度为常规材料的数倍，其硬度是常规材料的近千倍。长期以来，为解决陶瓷在常温下的易碎问题不断寻找陶瓷增韧技术，如今纳米陶瓷的出现轻而易举地解决了这个难题。实验证明，纳米TiO2在800-1000热处理后，其断裂韧性比常规TiO2多晶和单晶都高，而其在常温下的塑性形变竟高达100%。中科院金属研究所曾成功地将纳米铁经反复锻压，其形变高达300%。
目前各种发动机采用的材料都是金属，而人们一直期望能用性能优异的高强陶瓷取代金属，这也是未来发动机发展的方向。而纳米陶瓷的出现为人们打开了希望之门。纳米陶瓷的超高强度，优异的韧塑性使其取代金属用来制作机械构件成为可能。中科院上海硅酸盐研究所制成的纳米陶瓷在800下具有良好的弹性。
纳米微粒由于颗粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近邻配位不全，化学活性大，因而其烧结温度和熔点都有不同程度的下降。常规Al2O3烧结温度在1650以上，而在一定的条件下，纳米Al2O3可在1200左右烧结。利用纳米材料的这一特性，可以在低温下烧结一些高熔点材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于纳米微粒具有低温烧结，流动性大，烧结收缩大的特性，可以作为烧结过程的活性剂，起到加速烧结过程，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。有人曾作过实验，在普通钨粉中加入0.1%-0.5%的纳米镍粉，其烧成温度从3000降到1200-1300。复相材料由于不同相的熔点及相变温度不同而烧结困难，但纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，不仅使各相熔点降低，各相转变温度也会降低。在低温下就能烧结成性能良好的复相材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于电子线路衬底，低温蒸镀印刷和金属陶瓷的低温接合等。
此外，利用纳米微粒构成的海绵体状和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛应用于各种过滤器、活性电极材料、化学成分探测器和热变换器，例如备受人们关注的汽车尾气净化器。有报道说，以色列科学家成功地用Al2O3制备出耐高温的保温泡沫材料，其气孔率高达94%，能承受1700的高温。
2.2 纳米材料的光学特性
纳米粒子的一个明显特征是尺寸小。当纳米粒子的粒径与超导相干波长，玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当、甚至更小时，其量子尺寸效应将十分显著，使得纳米材料呈现出与众不同的光学特性。
纳米材料对可见光具有反射率低、吸收率高的特性。一般来说，大块金属都具有不同颜色的光泽。但实验证明，金属纳米微粒几乎都呈黑色。如铂金纳米粒子反射率仅有1%，这表明它们对可见光的低反射率、高吸收率导致粒子变黑。由于体积效应，能级间距的增大和纳米的量子限域效应，纳米粒子对光的吸收还表现出蓝移现象。利用纳米材料的这一特性，制成紫外吸收材料，可用作半导体器件的紫外线过滤器。还可在稀土荧光粉中掺入纳米粉，吸收掉日光灯发射出的有害紫外线。将其应用在纺织物中，与粘胶纤维相混合，制成的功能粘胶纤维，具有抗紫外线、抗电磁波和抗可见光的特性，可用来制做宇航服。
2.3 纳米材料的化学活性、敏感性
化学催化剂是一种不断接受热源使化学反应稳定进行的功能材料。催化剂的作用主要有以下几个方面:一是提高反应速度和效率，缩短反应时间；二是改善反应的条件，如降低反应温度、压强、真空度等；三是在决定反应的路径方面，使化学反应按预计的方向进行，即具有选择性。从以上不难看出，人们总是期望单位质量催化剂表面能同时接纳尽可能多的反应物，纳米微粒的表面积效应恰好符合了这一点。而且纳米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子台阶，此外原子表面悬键多，反应活性大。这些都有利于加速化学反应，提高催化剂的反应活性。例如采用纳米Ni 作为火箭固体燃料的催化剂，燃烧率可提高100倍。纳米材料不仅能极大提高催化剂的催化活性，而且还表现出令人惊异的化学选择性。这在有机化学工业上有着广阔的应用前景，可用来提高原料的利用率，降低生产成本。如在环辛二烯加氢生成环辛烯的反应中，常规的Ni催化剂选择性仅为24，而采用粒径为30nm的Ni时选择性提高到210，是原来的9倍。
纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性以及与气体相互作用强等特性，导致纳米微粒对周围环境的变化十分敏感。如光、温度、湿度、气氛、压强的微小变化都会引起其表面或界面离子价态和电子迁移的变化。这正满足了传感器功能上所要求的灵敏度高、响应速度快以及检测范围广的要求。目前科学家已发现多种纳米材料对一些特定的物质具有敏感反应。
2.4 纳米材料的电学、磁学效应
超顺磁性是纳米微粒的一大磁学特性。当纳米微粒尺寸小到一定临界值时，其磁化率就不再服从经典的居里一外斯定律而进入超顺磁状态。科学家认为纳米微粒出现超顺磁性，其原因在于粒径小于临界值，各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不在固定的一个异磁方向。异磁方向作无规律的变化，这就导致了超顺磁化的出现。磁性液体正是利用纳米微粒的这一特性而制成的。磁液体是由具有超顺磁性的强磁性微颗粒包一层长链有机分子的界面活性剂，弥散于一定的基液中形成的胶体，具有固体的强磁性和液体的流动性，在工业废液处理方面有着独特的优势和广阔的应用前景。
纳米微粒进入临界尺寸呈现出超顺磁性，但在粒径大于临界尺寸时，却表现出高的矫顽力。另外，当纳米粒子的尺寸小到一定值时，每个粒子就是一个单磁畴，实际上就成为永久磁铁。具有上述两种特性的磁性纳米粉是未来磁记录材料的发展趋势。磁记录材料发展的总趋势是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求记录材料具备每1cm2 记录信息1000万条以上，这就要求每条信息记录在几个平方微米内，只有纳米的尺寸才能达到这一点。磁性纳米材料具有尺寸小、单磁畴结构、矫顽力高等特性，使得制作的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、信噪比高、失真十分小等优点。日本松下电器公司已成功研制出纳米磁记录材料，我国也开展了这方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。纳米材料的主要应用[22]-[27]
借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。3.1特殊性能材料的生产
材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。
3.2生物医学中的纳米技术应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。
3.3纳米生物计算机开发
生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。
科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。
目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。
3.4新的国防科技革命
纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。
3.5其他领域
除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。纳米材料的应用前景展望
在未来的几十年中，纳米技术将逐步渗透到科学技术的各个领域，并在很大程度上改变人们的生产和生活观念。纳米技术将影响的几个领域[ 10][ 22]：
(1)海水脱盐净化技术。由于人口的快速增长，预计到2025年，全球将有48 个
国家、32%的人口面临着缺水的困境。而解决缺水困难的根本出路就是海水脱盐净化技术，碳纳米管的发现及纳米技术的发展为这一技术提供了一种可能的发展方向。
(2)照明系统。在照明中用于制造发光二极管的半导体将逐渐在纳米尺寸范围内制作，在纳米尺度上制作的发光二极管的效率现在已经可以与可见光谱上白炽光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低发热特性，将很快在展览、汽车照明灯、普通照明以及指示器中获得广泛应用。
(3)医学和生物领域。纳米技术将使适用于制药的化学物质的数量增加约1 倍；
可用尺寸为50-100nm的纳米颗粒对肿瘤部位进行治疗，因为更大的粒子无法穿过肿瘤上的小孔，纳米颗粒却能轻松进入肿瘤内部；纳米技术将使癌症在仅有少量癌细胞出现的早期即被检出。
(4)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器，研制量子计算机和光子计算机。
(5)环境和能源。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径1nm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳能电池的能量转换效率等。利用纳米材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出无以计数的新型材料，21世纪的纳米材料必将在微电子、信息、能源、环保、通讯、航空航天、工农业生产以及人们的日常生活等领域中发挥出巨大的作用，从而促进生产力的提高，推动社会的发展。参考文献
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