纳米材料结构分析论文

摘要：将纳米材料领域的研究热点凝练为材料化学综合实验课题。采用简单的溶剂热方法制备出不同形貌的ZnO纳米结构，使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和红外光谱仪对制备样品的结构进行表征，以甲基橙为目标物，考察ZnO纳米结构的光催化降解能力。通过该实验可使学生掌握纳米材料制备、表征和光催化性质的基本知识，激发本科阶段学生从事科学研究的兴趣。下面是小编整理的《纳米材料结构分析论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

纳米材料结构分析论文 篇1：

《纳米材料》课程教学探索与思考

摘要：《纳米材料》是一门新兴的、多学科交叉性课程，涉及凝聚态物理、化学、材料、生物等领域。针对该课程知识点繁杂、概念抽象等特点，结合自身教学经验和课程特点，从该门课程的教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面进行了系统的探索和改革，以达到提高教学质量的目的。

关键词：纳米材料，教学方法，教学质量

纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新兴学科领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等领域[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推动人类未来发展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有广泛的应用前景。纳米科技的迅猛发展将促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。

纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行探讨。

1 教学目的制定

课程的目的是通过课堂教学，使硕士研究生能夠了解、掌握纳米科学与技术的概念、分类及其特点，了解和掌握纳米材料的基本物理和化学性能；掌握纳米材料的主要制备方法和原理；掌握纳米材料的结构分析测试方法；了解纳米材料的生物毒性和安全性；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及最新研究进展，以便使学生了解和把握当今纳米科学的最新研究前沿

2 教学内容的选择

目前，纳米材料正蓬勃发展，其涉及的面也越来越广泛，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面等多中学科，内容广泛[2]。随着纳米科技的兴起，也出现了很多介绍纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和资料，对推动纳米科技的健康发展起了很好的作用。但是，在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。根据笔者从事纳米材料课程教学的实践，认为要达到前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的基本概念、发展史；纳米材料的分类及其特点；纳米材料的基本物理和化学性能；纳米材料的主要制备方法和原理；纳米材料的结构分析测试方法；纳米材料的生物毒性和安全性；纳米材料最新研究进展。根据教学内容特点，可以考虑将教学内容分会以下6个部分。

2.1 绪论

从纳米材料的新奇特性开始，讲述纳米材料的内涵和基本概念以及发展史。根据材料的分类方法讲述纳米材料的分类方法及特点。讲述纳米材料的基本结构单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等基本性能。并结合我国纳米材料研究现状和学生研究方向进行相关讨论，激发学生对纳米材料的好奇心和求知欲。

2.2 纳米材料物理化学性能

主要内容涉及纳米材料的结构和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、团聚等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与结构关联，按照基本结构-基本特性-特殊结构-特殊效应-特殊功能-特殊应用这一思路，引领学生深入思考，可以起到举一反三效果。

2.3 纳米材料的制备方法和原理

按照纳米材料维数分类方法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备方法和基本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相方法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相方法。并结合学生研究方向对相关材料和方法进行详细讨论，使学生掌握相关制备方法，为随后的研究奠定坚实的基础。

2.4纳米材料的结构分析测试方法

主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。通过学习，使学生掌握纳米材料测试的主要方法和仪器，并掌握各种仪器的优缺点和适用范围。同时，也使同学们认识到纳米材料研究的高技术特点。

2.5纳米材料的生物毒性和安全性

主要包括纳米材料的生物毒性和安全性。根据已有的相关研究报道，介绍一些纳米材料的生物毒性，让学生们了解纳米材料的不足之处，掌握相关的安全操作规则，以便在随后的纳米材料相关研究中避免出现安全事故。

2.6最新研究进展

根据纳米材料的最新研究热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技领域国际最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。

3. 教学方法与手段

3.1 多媒体教学

针对纳米材料课程内容广泛，知识点多的特点，采用多媒体教学方式。利用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，可以使教与学的活动变得更加丰富多彩，又可以将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同学们。从而激发学生的学习兴趣，促进学生思维发展，丰富学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，可以动画的形式展现，方便学生们理解。讲述纳米材料的制备方法时，可以通过示意图的形式展现，更容易让学生理解和掌握。

3.2交互式讨论

利用交互式讨论教学方式。根据学生的兴趣，结合课程内容，将学生划分多个课题小组，进行课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生通过文献查阅等方式了解该方法；其次，在课堂上就该方法、原理和实践应用进行充分讨论和分析；最后老师指出该内容的重点和难点。通过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体地位，尊重学生的主体意识；创设民主、平等的课堂氛围，让学生充分发表自己对问题的看法，发挥学生的主管能动性，变被动接受为主动探索；使学生的创新意识、创造性思维能力得到不断的发展[3]。

3.3实践操作相结合

纳米材料是一门实践性很强的课程。在课程教学中要充分与实践相结合，根据学生的研究方向，结合课程内容，安排学生进行相关实验。通过具体的实验使学生对纳米材料有更多的感性认识。涉及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，结合具体情况，可安排一定时间上机观察和操作。

4 结语

纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行系统的探讨，实践证明，这些举措的实施取得了良好的教学效果，为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用

参考文献

[1]白春礼.纳米科技及其发展前景，新材料产业[J].2001，4：8-11.

[2]张立德，牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2001，2：11.

[3]罗华.开启学生的创新意识—谈交互式讨论教学法[J].天津师范大学学报（基础教育版），2002，3（4）：17-19+31

作者：李志伟 贺洁

纳米材料结构分析论文 篇2：

不同形貌ZnO纳米材料的制备和光催化性质研究

摘 要：将纳米材料领域的研究热点凝练为材料化学综合实验课题。采用简单的溶剂热方法制备出不同形貌的ZnO纳米结构，使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和红外光谱仪对制备样品的结构进行表征，以甲基橙为目标物，考察ZnO纳米结构的光催化降解能力。通过该实验可使学生掌握纳米材料制备、表征和光催化性质的基本知识，激发本科阶段学生从事科学研究的兴趣。

关键词：综合实验 ZnO纳米材料 光催化

目前，全国许多本科院校中开设的材料化学专业是在化学和应用化学专业基础上发展起来的。由于受到化学类专业教育观念的影响，实践教学偏向于化学基础实验教学，缺少与科学前沿相结合的实践教学模块。将材料科学研究的热点问题凝练为材料化学综合实验，既可拓展学生的知识面，又可引导学生将理论应用于实践，激发学生学习的积极性。

纳米材料具有不同于晶体材料的物理、化学性质，这些性质不仅与晶体结构有关，还与其形貌有关，因此纳米材料形貌的可控合成引起人们广泛的研究兴趣[1-3]。ZnO是一种重要的功能直接宽带半导体，其带隙宽度和激子结合能分别为3.37 eV和 60 meV。由于其独特的光电性质、化学和热稳定性，ZnO在光催化剂、UV激光器、场效应晶体管、光检测器、气敏传感器、太阳能电池和压电发电机[4-7]等领域有广泛的应用。该实验在醋酸锌-正丁胺-四氢呋喃体系中，通过改变溶剂比例制备出不同形貌的ZnO纳米结构，并通过降解甲基橙来研究其光催化性质。经过此实验教学训练，可使学生掌握简单的纳米材料的制备技术，熟悉表征材料结构的大型实验仪器，学会相关实验数据的分析与处理，激发学生从事科学研究的兴趣。该实验可在大四本科生中开设，具有较好的教学效果。

1 实验目的

（1）溶剂热法制备纳米材料。

（2）通过扫描电子显微镜、X射线衍射仪和红外光谱对样品形貌和结构进行分析。

（3）通过光降解甲基橙溶液了解光催化反应的过程及原理。

2 试剂和仪器

（1）试剂：二水合醋酸锌、四氢呋喃（THF）、正丁胺（BA）、无水乙醇、甲基橙。

（2）仪器：喷金台、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、高速离心机、红外光谱仪（IR）、光化学反应仪、紫外-可见分光光度计、高温反应釜。

3 实验步骤

3.1 不同形貌的ZnO纳米材料的制备

称取0.250 g的醋酸锌于烧杯中，按表1分别加入总体积为10.5 mL的四氢呋喃和正丁胺混合液，搅拌至样品溶解，转入50 mL聚四氟乙烯内衬的反应釜中，密封，140 ℃反应12 h，自然冷却至室温。反应釜底有白色沉淀生成，离心分离，分别用无水乙醇和去离子水依次洗涤3次，干燥，最终得到白色粉末状样品[8]。

3.2 结构表征

3.2.1 SEM分析

将一定面积的导电胶固定在样品台上，取少量粉末状样品平铺在导电胶上，用洗耳球除去未附着的样品。将样品台放入喷金台喷金处理80 s，在SEM下观察样品的微观形貌。

3.2.2 XRD分析

利用X射线粉末衍射仪分析不同形貌的样品，扫描范围是20°～80°，扫描速度8 °/min。测量样品衍射峰的强度，通过计算（002）面的织构化系数（TC（002））来确定样品的生长取向。

其中，Ihkl为hkl晶面衍射峰的强度。

I0hkl为标准卡中hkl晶面衍射峰的强度。

n为衍射峰的数目。

3.2.3 IR分析

将不同形貌的ZnO纳米结构和溴化钾混合后研磨压片，利用红外光谱仪在500～4 000 cm-1范围内测试。分析获得的红外光谱图，确定ZnO纳米结构表面吸附的物质。

3.2.4 吸附性质

为了考察不同形貌ZnO纳米结构降解有机染料的机理，选择甲基橙（MO）作为目标降解物。分别将盛有20.0 mg不同形貌ZnO催化剂和20.00 mL 5×10-5 mol/L MO溶液的石英管放入光反应器，黑暗下搅拌不同时间，用紫外-可见分光光度计进行分析测定其含量，确定吸附/脱附平衡时间。

3.2.5 光催化性能

将20.0 mg不同形貌ZnO样品和20.00 mL 5×10-5 mol/L甲基橙溶液置于50 mL的石英管中，将石英管放入光化学反应仪，黑暗中搅拌，达到吸附平衡，随后打开300 W汞灯。紫外光照射一定时间后从石英管中取出约3 mL溶液，离心，取上层清液用紫外-可见分光光度计进行分析测定，利用下述公式计算降解率。

式中，A0为MO的原始溶液浓度；A为MO任意时刻的浓度。

4 结果与讨论

4.1 形貌和结构分析

将按表1条件制备的样品使用SEM观察其形貌，结果见图1。从图1（a）可知样品1是由大量的锥状物质组成，锥的底部直径和高度分别为200～400 nm和350～700 nm。样品2[图1（b）]呈现出台状结构，臺的上下底面呈现出正六边形结构，上底面边长和对角线长度分别是（210±20）nm和（400±30）nm。继续增加正丁胺用量至1.50 mL，得到六边形片状的样品3，其边长为（290±20） nm，厚度约为150 nm。

4.2 结构分析

将样品1、2和3进行XRD分析，结果见图2。从图2中可以观察到所有的衍射峰均与纤锌矿结构ZnO（JCPDS no.36-1451）相对应，而且没有其他杂峰，说明制备的不同形貌的样品均为纯的六方相ZnO。按3.2.2所述计算所有衍射峰的强度，得到样品1、2和3织构化系数分别是0.80、1.20和1.56，说明制备的ZnO纳米材料的（002）面取向性增加。

4.3 IR分析

使用紅外光谱仪对样品3进行研究，结果见图3。IR图中位于3 442 cm-1处宽而强的吸收峰是O-H伸缩振动峰，可能来自于样品表面吸收的H2O分子。1 604 和1 029 cm-1处的吸收峰分别是NH2的剪式和摇摆振动峰[9]。2 919 cm-1、 2 853 cm-1和1 385 cm-1处的吸收峰分别是CH2的不对称、对称伸缩振动和摇摆振动峰。IR分析结果说明正丁胺吸附在ZnO六边形纳米片表面上。

4.4 吸附性质分析

将盛有不同形貌ZnO催化剂和MO溶液的石英管放入光反应器，黑暗下搅拌，每隔10 min取上清液测定其吸光度。当吸光度值基本无变化时，就达到了吸附/脱附平衡。

4.5 光催化性质分析

将达到吸附/脱附平衡的含有不同形貌ZnO催化剂的MO溶液使用Hg灯照射，每隔30 min取约3 mL溶液，离心，测定上清液的吸收光谱，得到不同形貌ZnO催化剂的光催化降解MO溶液的时间相关吸收光谱图。同时，以甲基橙最大吸收波长处（462 nm）的吸收值为参考，得到含有不同形貌的ZnO催化剂的MO溶液在汞灯照射不同时间的光降解效果图，考察其光催化降解能力[10]。

4.6 建议课时安排

由于ZnO纳米材料制备的实验步骤简单，但反应时间较长，第一次实验要合理安排时间。

第一次实验（4学时），不同形貌ZnO样品的制备。

第二次实验（8学时），ZnO纳米材料的结构表征。

第三次实验（6学时），ZnO纳米材料光催化性质测试。

5 结语

不同形貌ZnO纳米材料的制备、表征和光催化性质测试这一实验与科学前沿课题紧密相连，覆盖化学、材料学等学科，重点培养学生掌握纳米材料的制备和表征的基本技能，是适合向材料化学专业本科学生推荐的综合实验。

参考文献

[1] Tong H，Ouyang S X，Bi Y P，et al.Nano-photocatalytic materials：possibilities and challenges[J].Adv Mater，2012（24）：229-251.

[2] Jiang Z Y， Kuang Q， Xie Z X，et al.Syntheses and properties of micro/nanostructured crystallites with high-energy surfaces[J].Adv Funct Mater，2010（20）：3634-3645.

[3] Zhou K B， Li Y D. Catalysis based on nanocrystals with well-defined facets[J].Angew Chem Int Ed，2012 （51）：602-613.

[4] Wang Z L.Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J].J Phys Condens Matter，2004（16）：829-858.

[5] Pan Z W，Dai Z R，Wang Z L.Nanobelts of semiconducting oxides[J].Science，2001，291（9）：1947-1949.

[6] Wang Z L，Song J H.Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J].Science，2006，312（14）：242-245.

[7] Zhang L N，Yang H Q，Ma J H，et al.Controllable synthesis and shape-dependent photocatalytic activity of ZnO nanorods with a cone and different aspect ratios and of short-and-fat ZnO microrods by varying the reaction temperature and time[J].Appl Phys A，2010（100）：1061-1067.

[8] Chen Y，Zhao H，Liu B，et al.Charge separation between wurtzite ZnO polar{001}surfaces and their enhanced photocatalytic activity[J].Appl.Catal.B：Environ.，2015（163）：189-197.

[9] Zhao H，Yin W Y，Zhao M Y，et al.Hydrothermal fabrication and enhanced photocatalytic activity of hexagram shaped InOOH nanostructures with exposed{020}facets [J]. Appl. Catal.B：Environ.，2013（130-131）：178-186.

[10] Chen Y，Zhang L N，Zhao H，et al.Superior photocatalytic activity of porous wurtzite ZnO nanosheets with exposed{001}facets and a charge separation model between polar（001）and （001（_））surfaces[J].Chem Eng J，2015（264）：557-564.

作者：陈燕

纳米材料结构分析论文 篇3：

食品包装中纳米材料的应用及检测技术

【摘 要】纳米技术的迅速发展使得许多基于纳米材料的产品走进了人们的消费行列。其中， 以纳米技术与传统包装相结合的纳米包装在食品包装领域得到了快速的发展，纳米材料在食品包装中的应用主要包括纳米抗菌性、纳米保鲜、高阻隔性包装材料几大类，纳米技术大大推动了食品包装的发展。

【关键词】食品包装 纳米材料 检测技术

1 纳米包装材料

纳米技术的迅速发展使得许多基于纳米材料（NMs）的产品走进了普通人们的消费行列。其中， 以纳米技术与传统包装相结合的纳米复合包装在食品包装领域中得到了快速发展，在整个纳米技术的应用领域中处于领先地位， 有利地推动了纳米产业链的快速发展。纳米包装材料是通过对包装材料进行纳米合成、纳米添加、纳米改性，使其具备纳米结构、尺度、特异功能的包装新物性。由于纳米粒子具有表面效应、量子尺寸效应、体积效应和宏观量子隧道效应，所以纳米材料表现出传统固体不具有的许多特异性质，如特异的化学性能、机械性能、电子性能、磁学性能及光学性能。纳米包装材料是由纳米颗粒包装材料合成的复合材料，有许多新的特性，如较高的机械性能、优异的物理化学性能、优良的加工性能、较好的生态性。

2 食品包装中纳米材料的类别

2.1 纳米抗菌性包装材料

新的纳米高性能无机抗菌剂是将纳米技术导入无菌复合包装，是以无机纳米银化合物为主要抗菌成份， 以各种无机材料为载体而制成的无机抗菌粉体。该抗菌材料采用高科技纳米技术制备而成，抗菌机理为金属离子作用和光催化作用， 具有强力的长效抗菌功能，抗菌率可达99. 9%，彻底解决了无机抗菌包装材料在应用中变色的难题，是一种无毒的广谱抗菌剂， 可广泛应用于生产液体奶、饮料无菌复合包装产品。抗菌制品被世界各国认为是跨世纪的环保和健康产品，纳米无机抗菌剂具有巨大的潜在市场。新型抗菌材料尼龙66中掺加了一种特殊的纳米粘土复合材料，经改性后，不但提高了强度、韧性等物理力学性能，还对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌具有明显的杀伤效果，同时生产成本也可大幅度降低， 应用于食品等高档包装薄膜的生产。

2. 2 纳米保鲜包装材料

在保鲜包装中，果蔬释放出乙烯，当乙烯释放到一定浓度后，果蔬会加速腐烂。在保鲜包装材料中加入纳米银粉， 便可加速氧化果蔬食品释放出的乙烯， 减少包装中的乙烯含量，从而达到良好的保鲜效果，并延长货架寿命。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色，用添加0. 1% ～0. 5%的纳米TiO2 制成的透明塑料包装材料包装食品，既可防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。

2. 3 纳米高阻隔性材料

食品包装阻隔性主要是指氧气、二氧化碳等的气体阻隔性、水蒸气阻隔性等。饮料对包装材料要求的一个重要指标是对气体的阻隔性，塑料作为啤酒包装材料，因透明、化学性质稳定、阻隔性相对好、质轻价廉、回收方便等优点广泛用于软饮料和含气饮料的包装，提高聚酯瓶气体阻隔性是实现啤酒、饮料包装塑料化首要解决的技术问题。在表面涂覆技术中，纳米表面涂层法是行之有效的方法之一。在各种表面技术涂覆方法中，最具有市场潜力的是等离子纳米涂覆技术， 它也是现代开发的热点。等离子纳米表面处理研究起于20世纪末期，它是一种真空干式处理工艺，具有操作简便、清洁、高效、安全无污染等优点，能满足环保要求。等离子纳米表面处理涂覆厚度为纳米级，在使材料界面物理性得到显著改善的同时，确保材料基体不会受到不良影响。

3 食品包装中纳米材料的检测技术

3.1 成像扫描技术

食品包装中纳米材料的形貌检测主要依靠电子显微镜技术和电子显微设备， 如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）。对材料和薄膜的形貌、结构表征和尺寸进行了表征，分析结构尺寸及物理特性。

3.2 分析技术

在包装材料中的定性检测主要依靠X-射线衍射（XRD）完成。 XRD结构分析的对象主要是结晶态的物质，其理论基础是基于X-射线波长与晶体物质中原子间距相近而产生的射线衍射。晶体化合物中原子结构和排列的差异是定性结构分析的基础。目前，XRD可以小角X-射线散射（SAXS）和广角X-射线散射（WAXS）的技术对基质中纳米材料的自组装和超晶格结构进行精细表征。近年来，人们利用固体核磁波谱（solid NMR）技术实现了纳米复合材料在聚合物基质中分布状态的表征。

结语

包装行业已经进入纳米时代，纳米包装材料具有比传统包装材料更好的机械强度、化学稳定性和一系列新功能，大大推动了食品包装技术的发展。纳米技术在食品包装领域的应用将对食品消费习惯产生巨大影响。同时，在享受纳米材料带来的成果时，纳米材料的检测及安全性也需给予更多关注。

参考文献

[1]黄媛媛，胡秋辉.纳米包装材料对绿茶保鲜品质的影响[ J ].食品科学， 2006， 27 （4） ： 244 - 246.

[2]何映平.纳米材料及其在食品工业中的应用实例[ J ].热带农业科学， 2001， （4） ： 74 - 76.

[3]何培健，王大志，陈利琴等.纳米技术在药品与食品包装中的应用[ J ].海峡医学， 2006， 18 （4） ： 197 - 199.

作者：廖天江