100 20% 表面原子加 99% 2 80 百分数 N 60 40 20 0 0 0 20 30 40 50 d(nm) 表面原子数占全部原子数的比例和粒径 之间的关系 35
纳米材料基础与应用 26 表2-1 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 粒径(nm) 包含的原子数 表面原子比例 表面能量(J/mol) 表面能量 /总能 量 10 30000 20％ 4.08×104 7.6 5 4000 40％ 8.16×104 14.3 2 250 80％ 2.04×105 35.3 1 30 99％ 9.23×105 82.2
表面积 化学 纳米微 表面能 粒减小 速增 表面结合能 活性高 ●随着粒径的减小，表面原子数迅速增加。 这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。 例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g, 粒径为5nm时，比表面积为180m2/g,粒径 下降到2nm时，比表面积猛增加到450m2/g。 这样高的比表面，使处于表面的原子数 越来越多，同时表面能迅速增加。 36
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表面能 ● 由于表层原子的状态与本体中不同，表面原子配位 不足，因而具有较高的表面能 √如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增 大表面积就必须克服体系内部分子之间的吸引力而 对体系做功。 √在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA所需 的功叫表面功。颗粒细化时，表面积增大，需要对 其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中 因此，颗粒细化时，体系的表面能增加 28
纳米材料基础与应用 28 ⚫由于表层原子的状态与本体中不同 ，表面原子配位 不足，因而具有较高的表面能 ✓如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增 大表面积就必须克服体系内部分子之间 的吸引力而 对体系做功。 ✓在T和P组成恒定时，可逆地使表面积增加dA 所需 的功叫表面功。 颗粒细化时，表面积增大，需要对 其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中 因此，颗粒细化时，体系的表面能增加. 表面能
表面效应本质 纳米微粒的表面原子所处环境与内部原子不同，它 周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱 和性，易于其他原子相结合而稳定。 √纳米粒子尺寸减小的结果导致了其表面积、表面 能及表面结合能都迅速增大，进而使纳米粒子表 现出很高的化学活性； √ 并且表面原子的活性也会引起表面电子自旋构象 电子能谱的变化，从而使纳米粒子具有低密度、 低流动速率、高混合性等特点。 29
纳米材料基础与应用 29 纳米微粒的表面原子所处环境与内部原子不同，它 周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱 和性，易于其他原子相结合而稳定。 ✓ 纳米粒子尺寸减小的结果导致了其表面积、表面 能及表面结合能都迅速增大，进而使纳米粒子表 现出很高的化学活性； ✓ 并且表面原子的活性也会引起表面电子自旋构象 电子能谱的变化，从而使纳米粒子具有低密度、 低流动速率、高混合性等特点。 表面效应本质
例：金属纳米粒子暴露在空气中会自燃，无机纳米粒子暴 露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 通过下图说明纳米粒子表面活性高的原因： ● ●D 单一立方晶格结构的原子尽可能接近 圆（或球）形进行配置的超微粒模式图 30
纳米材料基础与应用 30 例：金属纳米粒子暴露在空气中会自燃，无机纳米粒子暴 露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 通过下图说明纳米粒子表面活性高的原因： 单一立方晶格结构的原子尽可能接近 圆(或球)形进行配置的超微粒模式图