納米材料由于其獨特的尺寸效應和量子效應,表現出與宏觀材料截然不同的物理、化學和生物特性,具有廣闊的應用前景。本書旨在從化學的視角,系統(tǒng)介紹納米材料的基本概念、制備原理和方法,內容涵蓋了納米材料的定義、結構、制備、表征、性質和應用等方面,既注重理論講解,又注重實踐應用。全書分為9章,包括緒論、納米材料的熱力學與動力學、納米材料的晶體學、納米材料的制備、納米材料的表征、無機納米材料化學、有機納米材料化學、納米材料超分子化學及納米材料的應用。
本書可作為高等院校材料科學與工程、化學、物理等相關專業(yè)本科生和研究生的教材,也可供從事納米科學與技術研究和開發(fā)的科技工作者參考。
納米材料由于其獨特的尺寸效應和量子效應,表現出與宏觀材料截然不同的物理、化學和生物特性,具有廣闊的應用前景。本書旨在從化學的視角,系統(tǒng)介紹納米材料的基本概念、制備原理和方法,內容涵蓋了納米材料的定義、結構、制備、表征、性質和應用等方面,既注重理論講解,又注重實踐應用。全書分為9章,包括緒論、納米材料的熱力學與動力學、納米材料的晶體學、納米材料的制備、納米材料的表征、無機納米材料化學、有機納米材料化學、納米材料超分子化學及納米材料的應用。
人才是衡量一個國家綜合國力的重要指標。習近平總書記在黨的二十大報告中強調:“教育、科技、人才是全面建設社會主義現代化國家的基礎性、戰(zhàn)略性支撐!痹凇皟蓚一百年”交匯的關鍵歷史時期,堅持“四個面向”,深入實施新時代人才強國戰(zhàn)略,優(yōu)化高等學校學科設置,創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式,提高人才自主培養(yǎng)水平和質量,加快建設世界重要人才中心和創(chuàng)新高地,為2035年基本實現社會主義現代化提供人才支撐,為2050年全面建成社會主義現代化強國打好人才基礎是新時期黨和國家賦予高等教育的重要使命。
當前,世界百年未有之大變局加速演進,新一輪科技革命和產業(yè)變革深入推進,要在激烈的國際競爭中搶占主動權和制高點,實現科技自立自強,關鍵在于聚焦國際科技前沿、服務國家戰(zhàn)略需求,培養(yǎng)“向極宏觀拓展、向極微觀深入、向極端條件邁進、向極綜合交叉發(fā)力”的交叉型、復合型、創(chuàng)新型人才。納米科學與工程學科具有典型的學科交叉屬性,與材料科學、物理學、化學、生物學、信息科學、集成電路、能源環(huán)境等多個學科深入交叉融合,不斷探索各個領域的四“極”認知邊界,產生對人類發(fā)展具有重大影響的科技創(chuàng)新成果。
經過數十年的建設和發(fā)展,我國在納米科學與工程領域的科學研究和人才培養(yǎng)方面積累了豐富的經驗,產出了一批國際領先的科技成果,形成了一支國際知名的高質量人才隊伍。為了全面推進我國納米科學與工程學科的發(fā)展,2010年,將“納米材料與技術”本科專業(yè)納入戰(zhàn)略性新興產業(yè)專業(yè);2022年,國務院學位委員會把“納米科學與工程”作為一級學科列入交叉學科門類;2023年,在戰(zhàn)略性新興領域“十四五”高等教育教材體系建設任務指引下,北京科技大學牽頭組織,清華大學、北京大學、浙江大學、北京航空航天大學、國家納米科學中心等二十余家單位共同參與,編寫了我國首套納米材料與技術系列教材。該系列教材錨定國家重大需求,聚焦世界科技前沿,堅持以戰(zhàn)略導向培養(yǎng)學生的體系化思維、以前沿導向鼓勵學生探索“無人區(qū)”、以市場導向引導學生解決工程應用難題,建立基礎研究、應用基礎研究、前沿技術融通發(fā)展的新體系,為納米科學與工程領域的人才培養(yǎng)、教育賦能和科技進步提供堅實有力的支撐與保障。
納米材料與技術系列教材主要包括基礎理論課程模塊與功能應用課程模塊;A理論課程與功能應用課程循序漸進、緊密關聯、環(huán)環(huán)相扣,培育扎實的專業(yè)基礎與嚴謹的科學思維,培養(yǎng)構建多學科交叉的知識體系和解決實際問題的能力。
在基礎理論課程模塊中,《材料科學基礎》深入剖析材料的構成與特性,助力學生掌握材料科學的基本原理;《材料物理性能》聚焦納米材料物理性能的變化,培養(yǎng)學生對新興材料物理性質的理解與分析能力;《材料表征基礎》與《先進表征方法與技術》詳細介紹傳統(tǒng)與前沿的材料表征技術,幫助學生掌握材料微觀結構與性質的分析方法;《納米材料制備方法》引入前沿制備技術,讓學生了解材料制備的新手段;《納米材料物理基礎》和《納米材料化學基礎》從物理、化學的角度深入探討納米材料的前沿問題,啟發(fā)學生進行深度思考;《材料服役損傷微觀機理》結合新興技術,探究材料在服役過程中的損傷機制。功能應用課程模塊涵蓋了信息領域的《磁性材料與功能器件》《光電信息功能材料與半導體器件》《納米功能薄膜》,能源領域的《電化學儲能電源及應用》《氫能與燃料電池》《納米催化材料與電化學應用》《納米半導體材料與太陽能電池》,生物領域的《生物醫(yī)用納米材料》。將前沿科技成果納入教材內容,學生能夠及時接觸到學科領域的最前沿知識,激發(fā)創(chuàng)新思維與探索欲望,搭建起通往納米材料與技術領域的知識體系,真正實現學以致用。
希望本系列教材能夠助力每一位讀者在知識的道路上邁出堅實步伐,為我國納米科學與工程領域引領國際科技前沿發(fā)展、建設創(chuàng)新國家、實現科技強國使命貢獻力量。
北京科技大學中國工程院院士納米材料化學是材料學、化學、納米科學與技術交叉的一門學科。本書的編寫旨在為本科生、研究生及相關專業(yè)人員提供一個系統(tǒng)、全面地涵蓋納米材料化學基礎知識的教材。全書分為9章,從化學的視角,系統(tǒng)介紹納米材料的基本概念、制備原理和方法,內容涵蓋了納米材料的定義、結構、制備、表征、性質和應用等方面,既注重講解納米材料化學的理論基礎,又注重介紹幾類重要的納米材料的性質,最后還延伸至納米材料在不同領域中的具體應用。
本書適用于化學、材料科學、物理學及相關專業(yè)的本科生、研究生以及從事納米材料研究的專業(yè)人員,同時也適合對納米材料感興趣的科技愛好者閱讀參考。讀者在閱讀本書時,可以根據自己的需求選擇章節(jié)進行學習。建議先通讀基礎章節(jié),了解基本概念后,再深入學習各類納米材料的性質和具體應用。此外,本書中的思考題有助于讀者鞏固知識,建議讀者在閱讀過程中積極思考、完成。
本書由北京科技大學納米材料研究專家團隊共同編寫。張躍教授對全書的知識體系和撰寫思路進行了系統(tǒng)規(guī)劃,第1、3、4章由北京科技大學的梁倬健編寫,第2、7、8章由北京化工大學的鄒慶立編寫,第5章由北京科技大學的賴念筑編寫,第6章、第9章由北京科技大學梁倬健、北京科技大學康卓編寫。
感謝各位讀者對本書的支持和關注,因受撰寫時間及編者水平所限,書中難免有不足之處,我們誠懇地希望讀者予以批評指正。
編者編委會
高等院校教師
前言
第1章緒論1
11材料化學的內涵1
12材料的分類3
121金屬材料3
122無機非金屬材料4
123高分子材料5
124復合材料5
125納米材料6
13納米材料的分類6
14納米材料的特性7
141納米尺度效應7
142納米材料特性8
思考題10
參考文獻11
第2章納米材料的熱力學與動力學12
21結晶熱力學12
22納米粒子成核動力學14
221空氣/水界面薄膜生成動力學15
222納米催化劑光催化動力學16
23納米粒子團聚自發(fā)性20
24納米粒子團聚動力學20
思考題22
參考文獻22
第3章納米材料的晶體學23
31關于ZnO的六方晶型23
32納米晶體生長的取向性25
321ZnO納米晶體生長的取向性25
322CdS納米晶體生長的取向性26
33納米材料的缺陷28
331納米材料中缺陷的作用28
332納米材料中缺陷的合成控制30
思考題31
參考文獻31
第4章納米材料的制備33
41物理法制備納米材料33
411真空蒸發(fā)冷凝法33
412物理粉碎法34
413濺射法36
42化學法制備納米材料37
421化學氣相沉積法37
422液相化學反應法45
423固相化學反應法54
思考題57
參考文獻57
第5章納米材料的表征59
51顯微鏡59
511掃描電鏡59
512透射電鏡64
513原子力顯微鏡67
52X射線光譜68
521X射線衍射光譜分析法68
522X射線吸收光譜69
523X射線光電子能譜72
53分子光譜80
531紫外-可見-近紅外光譜80
532紅外光譜82
533拉曼光譜84
54粒度分析技術87
541動態(tài)光散射法87
542激光粒度分析法89
543高速離心沉降法93
544電超聲粒度分析法96
思考題98
參考文獻99
第6章無機納米材料化學101
61單質納米材料101
611碳納米材料101
612硅納米材料108
613金屬單質納米材料110
62二元無機化合物納米材料111
621氧族化合物111
622氮化物117
623碳化物120
624硼化物122
63其他無機化合物納米材料123
631鈣鈦礦123
632二維MXene材料125
633尖晶石126
634硅酸鹽129
635層狀雙金屬氫氧化物134
思考題136
參考文獻136
第7章有機納米材料化學140
71金屬有機化合物140
711金屬有機框架材料140
712金屬配位納米粒子和金屬聚合物
納米粒子141
72穴狀有機物143
73分子開關145
731化學激活分子開關145
732光激活分子開關146
思考題147
參考文獻147
第8章納米材料超分子化學149
81超分子149
82自組裝151
821冠狀化合物的分子組裝152
822環(huán)糊精的分子組裝154
823杯芳烴的分子組裝155
824其他合成受體的分子組裝156
思考題158
參考文獻158
第9章納米材料的應用161
91納米材料在能源環(huán)境領域的應用161
911氫氣儲存161
912電解水制氫162
913燃料電池162
914鋰離子電池163
915超級電容器164
916廢水處理166
92納米材料在電子信息領域的應用166
921納米發(fā)光功能材料167
922光子晶體和光子存儲167
923磁性液體169
93納米材料在生物醫(yī)藥領域的應用170
931藥物傳遞170
932醫(yī)學造影174
933醫(yī)學診斷174
思考題175
參考文獻175