中国地质大学（北京）
课程期末考试论文（读书报告）
课程名称：复合材料学
任课教师：张以河，郝向阳，安琪学时：
开课院系：材料科学与工程学院学生：**
学号：10031122**
开课时间：
纳米结构的制备与应用
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（中国地质大学（北京）材料科学与工程学院10031122班10031122**）
摘要：纳米结构材料表现出不同于传统块状材料的光、磁、声、电、催化等特性。
如何实现纳米结构材料的可控制备及规模化应用，是当前纳米科技的挑战性问题
之一。综述纳米结构材料的分类、制备原理、发展现状及应用，围绕低维纳米结
构（纳米粒子、纳米棒、纳米管、纳米片）和纳米花的制备机理，以及纳米粒子、
纳米管、纳米花在环境催化、能源、纺织、太阳能电池等领域的应用，最后阐述
了纳米技术的发展需要全球化。
关键词：纳米材料；制备原理；纳米管；纳米花
Synthesis and Applications of Nanomaterials
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(China University of Geosciences(Beijing),School of Materials Science and Engineering,Class10031122,Number10031122**)
Abstract: Nanomaterials exhibit special optical，magnetic，acoustic，electric，catalytic properties as compared with the traditional balk materials．It is still a challenge to achieve controllable synthesis and large-scale applications of nanomaterials with various structures．This review introduces the classification
of nanomaterials, the controllable synthesis, the development status and applications of nanomaterials, which around the synthesis mechanism of
low-dimensional nanostructures(nanoparticles, nanorods, nanotubes, nanosheet) and nano flowers, and application of nanoparticles, nanotubes and nano flowers in environmental catalysis, energy, cottonocracy and solar cell. In addition, this review points out that the development of nanotechnology needs globalization.
Keywords: nanostructures; synthesis mechanism; nanotubes; nano flowers
引言：
著名的诺贝尔奖获得者查德·费曼早就提出了一个令人深思的问题：“如何将信息储存到一个微小的尺度？令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，在基因的某一点上，仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息……，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。”纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响，费曼的预言已成为世纪之交科学家最感兴趣的研究热点。
纳米尺度处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间，是物理学、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领域。纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵一个重要的分支学科，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的研究热点。20世纪90年代中期有关这方面的研究取得重要的进展，研究的势头将延续到21世纪，被公认为21世纪最具有发展前景的科研领域之一。
1 纳米结构的分类
所谓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一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。纳米材料按不同标准有不同分类，一般是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1—100 nm)，或由它们作为基本单元构成的材料。通常根据维度可将纳米材料分为三类：①零维纳米材料，如纳米颗粒[1]、纳米球[2]、纳米立方体[3]、量子点、纳米团簇等；②一维纳米材料，如纳米线、同轴纳米电缆、纳米棒、纳米带[4]、纳米管、纳米纺锤体等；③二维纳米材料，如纳米薄膜、纳米片等。另外，介孔微孔组合多孔材料、多级有序结构纳米刷、微米花、纳米阵列体系、多级有序纳米笼等有序多级结构，虽然在三维方向尺度均为微米级，但是基本构成单元是零维、一维、二维的纳米结构，并且具有纳米材料的性质，因此，这种由纳米材料组成的多级材料也属于纳米材料的范围。
2 纳米结构的制备
纳米材料的性能与其结构、形貌有很大关系。纳米材料的形貌、结构受制备方法和技术的影响很大。纳米材料的制备时一门艺术，如何将方法和技术相结合，找到一种可放大的制备方法，研究纳米结构的生长机理，揭示其生长规律，是纳米材料研究的重要课题[5]。
纳米材料的制备主要有物理合成法和化学合成法。常见的物理合成方法有喷雾法、喷雾干燥法、喷雾热解法、冷冻-干燥法、反应性球磨法、气流粉碎技术等。其中气流粉碎技术具有比较多的优点。它是采用高速的超音速气流来加速固体物料，使物料互相撞击或与靶撞击使物料粉碎，气流粉碎技术加工效率较高，尤其是对超硬的材料更能体现出该方法的优点，比较先进的气流粉碎设备，可以使物料在粉碎时不接触其它物质．因而可以减小对粉料的污染。常见的化学合成法主要有等离子体制备纳米粉末技术、化学气相沉积法、共沉淀法、均匀沉淀法、溶剂热合成法、溶胶-凝胶法、水热法制备纳米粉末技术、微乳化技术等合成方法。其中化学气相沉积法形成的纳米材料较细，较均一，化学气相沉积法的原理是将一种或几种反应气体通过热、激光、等离子体等发生化学反应，析出超微粉
的纳米材料制备方法。由于存在于气相中的粒子成核及生长的空间比较大，因此，该方法制得的粒子分散度较好，同时，又因为反应是在封闭容器中进行，使得化学气相沉积法形成的纳米粒子具有比较高的纯度。
丰富和完善纳米材料的科学体系，可加速纳米材料的应用和开发，丰富和发展相关交叉科学领域的基础理论。近年来，人们发展了一系列纳米结构的制备方法（如图1）。
图1 纳米结构材料几种常见制备策略的示意图[6]
Fig.1 Schematic diagram of common preparation
strategies of nanomaterials[6]
主要包括：①利用具有各向异性晶体结构物质的取向生长特性，自下而上合成纳米结构；②引入液一固界面，减小晶核的对称性，诱导催化生长纳米材料；
③采用模板限制反应，合成纳米结构；④使用合适的覆盖剂，控制晶体不同晶面的生长速度，使其晶面取向生长，形成纳米结构；⑤将分子或微粒自组装，形成纳米结构；⑥将体状材料刻蚀、粉碎或减薄，自上而下得到纳米结构材料。
2.1低维纳米结构的制备
低维纳米材料是纳米材料的一个重要组成部分，通常是指除三维体材料之外的二维超晶格和量子阱材料、一维量子线和零维量子点材料。二维超晶格和量子