第三章 固体材料表面与界面电子过程
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固体表面与界面无机材料制备及使用过程发生的种种物理化学变化,都是由无机材料表面向内部逐渐进行的,这些过程的进行都依赖于无机材料的表面结构与性质。
人们平时遇到和使用的各种无机材料其体积大小都是有限的,即无机材料总有表面暴露在与其相接触的介质内。
相互接触的界面上或快或慢地会发生一系列物理化学作用。
产生表面现象的根本原因在于无机材料表面质点排列不同于内部,无机材料表面处于高能量状态。
基于此,本章主要介绍无机固体的表面及结构,陶瓷晶界及结构,界面行为,包括弯曲表面效应、吸附与表面改性、润湿与粘附,以及近30年来从原子、分子水平上研究固体表面组成、结构和性能的各种表面分析及测试方法等知识。
并讨论粘土-水系统中粘土胶粒带电与水化等一系列由于粘土粒子表面效应而引起的胶体化学性质,如泥浆的稳定性、流动性、滤水性、触变性和泥团的可塑性等。
为了解和运用表面科学知识解决无机材料相关科学与工程问题奠定基本的必要的理论基础。
处在物体表面的质点其境遇和内部质点不同,表面的质点由于受力不均衡而处于较高的能阶,从而使物体表面呈现一系列特殊的性质。
例如,将1kg石英砂从直径为10-2m粉碎到10-9m,比表面积(单位质量或单位体积物质所具有的总表面积,单位:m2/kg或m2/m3)与比表面能(等温等压条件下,增加单位新表面所需要的可逆非膨胀功称为比表面能,简称表面能。
单位:J/m2)的变化如表5-1示,可看出仅仅由于分散度(物料被分散的程度,是物质粒度的一种度量。
分散度越大,物质粒径越小)的变化而使细粉石英比表面能增加1千万倍.相当于650kg水升高1℃需要的能量。
粉碎石英的机械能转化为表面能贮存的石英粉内。
由于高分散度物系比低分散度物系能量高得多,必然使物系由于分散度的变化而使两者在物理性质(如熔点、沸点、蒸气压、溶解度、吸附、润湿和烧结等)和化学性质(化学活性、催化、固相反应)方面有很大的差别。
随着材料科学的发展,固体表面的结构和性能日益受到科学界的重视,而逐渐形成一门独立学科——表面化学和表面物理。
无机材料物理化学固体表面与界面在材料科学的世界中,无机材料物理化学是一个极其重要的研究领域,特别是在固体表面与界面方面的研究。
这些研究涵盖了各种无机材料,包括金属、非金属、半导体和绝缘体等,它们的表面和界面行为对材料的性质和性能有着深远的影响。
我们来看看固体表面的物理化学。
固体表面是一个具有特殊结构和性质的相,它与相邻的介质(如气体、液体或另一种固体)相互作用。
这种相互作用会影响材料的润湿性、吸附性、反应性以及电子传输等性质。
例如,通过改变表面的粗糙度或化学活性,我们可以控制材料表面的润湿性,进而影响其与液体的相互作用。
界面在无机材料中同样扮演着重要的角色。
在无机材料中,界面可以是两种不同材料之间的接触面,也可以是同一材料不同晶面之间的接触面。
这些界面上的原子排列和电子结构会不同于体相材料,从而影响材料的物理和化学性质。
例如,石墨烯和氮化硼之间的界面可以影响电子传输和热导率。
我们还研究了固体表面和界面在光电、催化、储能等领域的应用。
这些应用需要我们对材料的表面和界面性质有深入的理解,才能实现高效的能量转化和优异的性能。
例如,在太阳能电池中,我们需要优化半导体材料的表面结构以增加光吸收和载流子分离效率;在催化剂中,我们需要理解表面结构对反应活性的影响以设计高效的催化剂。
无机材料物理化学中的固体表面与界面研究为我们提供了理解和控制材料性质的新途径。
通过深入了解材料的表面和界面性质,我们可以设计出具有优异性能的新材料,并优化其在能源、环保、信息技术等领域的应用。
在过去的几十年中,纳米科技的发展取得了令人瞩目的成就。
无机纳米材料,作为一种重要的纳米科技领域,具有许多独特的物理、化学和机械性质,因此在许多领域具有广泛的应用前景。
然而,由于其表面能高,无机纳米材料容易团聚和稳定性差,这限制了其实际应用。
为了解决这些问题,表面修饰改性成为了一种有效的手段。
通过对无机纳米材料进行表面修饰改性,可以有效地提高其稳定性、相容性和生物活性,从而进一步拓展其应用范围。