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纳米功能材料研究进展及其应用前景

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卖家[上传人]：职****导

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1、纳米功能材料的研究进展及其应用前景摘要：自从1959年理查德费曼提出关于纳米技术的发展畅想，在过去的几十年间，纳米材料尤其是纳米功能材料越来越得到全世界范围内的关注，被广泛地深入研究制备应用于光电子器件、机械工业、生物医药、化学工程、陶瓷、分子自组装等各个领域。随着材料科学与微加工技术的进步，天然物质的功能材料已经不能满足生产与生活的应用。于是功能材料结构的人工设计应运而生。材料的组成由单一型向复合型、杂化型转化，颗粒大小由微米级向纳米级过渡。纳米功能材料可以从根本上改变材料的结构，实现材料的功能化，为材料科学研究领域中长期存在的瓶颈开辟了新途径。本文着重介绍纳米功能材料的特性及其应用前景尤其是在能量转换与储存器件方面的应用。关键词：纳米材料；纳米功能材料效应与特性；能量转换与存储器件一、纳米功能材料的提出纳米级结构材料称为纳米材料。当物质结构单元的尺寸到纳米尺度以后，大约是介于1-100纳米这个范围，物质的性能就会发生突变，出现不同于原始性能的特殊性能。纳米功能材料具有既不同于原始组分的原子、分子，亦不同于宏观物质特殊性能的结构。20世纪70年代，日本科学家第一个真正认识到材料具有的

2、的特殊性能并引用了纳米概念，他们使用蒸发法制备了超微离子，并通过研究超微离子的性能发现：一个导热、导电的铜、银导体尺寸做成纳米尺度后材料的性质会发生改变，具体表现为：失去原有的导热导电性质，表现出既不导热也不导电的性质。基于一系列研究背景，到20世纪80年代中期，此类材料被正式命名为纳米功能材料。二、纳米材料五大效应（一）体积效应当纳米粒子的尺寸达到与传导电子的德布罗意波相当或更小时，晶体周期性的边界条件会遭到破坏，导致纳米粒子磁、光、声、热、电、力以及超导特性等性质与常规粒子相比发生的变化称为体积效应。（二）表面效应表面效应是指当颗粒的直径减小到纳米尺度范围时，纳米粒子的表面原子数与比表面积随着粒径的变小而急剧增大所引起的性质上的变化。纳米粒子的比表面积与粒子直径成反比。一般来说，随着粒径的减小，比表面积会显著地增大，而表面原子数则相对增多。由于这些表面原子具有许多悬空键且极不稳定，导致纳米粒子表现出不一样的特性，如化学活性与催化活性。（三）量子尺寸效应粒子尺寸下降到某一数值时时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子的磁、光

3、、电、热、声以及超导特性与宏观性质明显不同。（四）宏观的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。人们发现一些宏观量，例如微观颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等都具有隧道效应，这些宏观量可以穿越宏观系统的势垒并产生一定变化，故称为宏观的量子隧道效应。（五）介电限域效应纳米颗粒分散在异质介质中会导致体系的介电增强，从而造成颗粒的介电性质以及光学特性发生改变，这就是纳米粒子的介电限域效应。这种局部的场强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。因此在对纳米粒子的光学特性进行分析时必修考虑介电限域效应。上述提到的体积效应表面效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应以及介电限域效应是纳米微粒以及纳米固体的基本特征，这些特殊效应使得纳米颗粒和纳米固体表现出许多新颖的物理与化学性质。三、纳米功能材料的特殊性能纳米功能材料与常规结构材料相比具有以下特性：（1）高强度、高韧性（2）高比热和热膨胀系数（3）异常电导率和扩散率（4）高磁化率四、能量转换与储存器件当今世界，寻找高效、低成本、环保型的电化学能量转换与储存器件逐渐成为一项极具挑战性的项目。由于纳米功能材料所具备

4、的特殊性能，其得到了世界范围内越来越广泛的关注，被有效的应用于锂离子电池、燃料电池、染料敏化太阳能电池和超级电容器等能量转换与储存器件。研究者们通过对不同维度的纳米材料形貌与结构进行研究，主要是一维、二维以及三维材料，以期得到具有更佳性能的器件。纳米材料尺寸以及维度的减小会使得原始材料的性质发生改变，从而呈现新颖的功能。例如：电子迁移率的增大、光电化学活性与光电化学稳定性的增强等。而上述性能的提升可以显著地提高能量转换与储存器件的性能及转换效率。本文主要介绍纳米材料在锂离子电池电极中的应用及其优缺点。通常，锂离子电池包括负极（阳极如石墨）、正极（阴极如LiCoO2）和锂离子导电电解质几部分（如下图所示）。当电池充电时锂离子从正极脱出后插入负极。当放电时，锂离子从负极释放后重新嵌入正极。（一）纳米电极的优点1、增强的储锂动力学电极材料的动力学因素也就是锂离子和电子的扩散抑制了能量密度的提高。使用纳米电极材料不仅增加了锂嵌入的电化学活性，也增强了速率（高功率）。另外，锂离子与电子传送距离变短使得锂的扩散时间尽可能短，即高充放电速率；电极与电解质之间较大的接触面积则显著降低了活性材料的特定电

5、流密度。2、增强结构的稳定性热力学上的不稳定结构的结构转变仅仅发生在粒子半径Rp比临界成核半径Rc大的情况下，但用纳米粒子在Rp大于Rc的情况下可能避免这种转变。因此小尺寸的粒子更容易适应在锂嵌入和拔出的循环过程中结构的转变。3、新型储锂机理纳米电极材料的另一个好处是，它们可以推导出新的储锂机理，提供给一系列电池系统较高的容量、充放电可逆性和通用性。（二）纳米电极的不足但是，纳米功能材料在能量转换与储存器件中的应用并不是没有缺点的。例如：纳米粒子具有的更大的比表面积虽然可以有效地提高材料的反应活性，但同时也会不可避免的引起更加显著的副反应，包括电解液在阴极和阳极之间的分解，这导致了很大程度的不可逆性和较多的循环寿命；纳米粒子有很大的比表面积和很高的表面能，趋向于形成附聚物，因此，它们很难分散和混合炭黑、粘合剂来制造电极。这也导致了用纳米粒子制造的电极的接触电阻比商用电极大得多；此外，随着材料尺寸的减小，虽然电池电极的比容量及循环性能得到了提高，但是却引起了体能量密度的大幅下降。五、总结与展望随着绿色、可持续能源器件的发展，纳米功能材料在改善电化学能量转换与储存器件方面被寄予越来越高的期望。但不可否认的是其缺点大大限制了应用。这一系列的问题，都需要我们通过改进优化技术及工艺、设计并制备出结构和形貌更优的纳米功能材料来解决。以制备出性能更加优良、转换效率更高的能量转换与储存器件。

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