粒度对纳米粒子热分解热力学性质和平衡常数的影响

作     者：卢璋 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛永强

授予年度：2009年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：纳米粒子 粒度 热分解 稳定性 分解温度 平衡常数 热力学性质 

摘      要：纳米材料的稳定性在其制备和应用过程中被视为一项极其重要的指标;而纳米粒子的热分解性质是衡量其稳定性的主要依据。目前国内外关于纳米粒子热分解反应的研究比较多,但关于纳米粒子热分解热力学方面的研究却比较少,而关于粒度对于热分解反应的分解温度和热力学性质影响规律的研究还未见报道。本文通过理论和实验两方面来研究粒度对纳米粒子的分解温度、平衡常数和热力学性质的影响规律。 论文首先选择了适合本课题研究的3个热分解反应体系:纳米氢氧化铜、纳米碳酸锌和纳米碳酸钙的热分解反应。然后分别用均匀沉淀法制备出纳米氢氧化铜;用低热固相法制备出纳米碳酸锌和纳米碳酸钙;在考察了影响纳米粒子粒径大小的主要因素及其影响规律的基础上,通过控制实验条件,制备出不同平均粒径的纳米粒子;并用X射线粉末衍射对其粒度进行了表征。 在纳米体系反应热力学理论的基础上,首次导出了纳米粒子的分解温度与其粒径间的热力学关系式,并通过热重分析实验得其不同粒径纳米粒子的分解温度,其粒度对纳米粒子分解温度影响规律的实验结果与理论分析完全吻合。 通过不同平均粒径的纳米粒子在高压反应釜中的热分解反应,得到了一系列温度下的分解压力,进而得到纳米粒子热分解的平衡常数、标准吉布斯自由能、标准摩尔反应焓和标准摩尔反应熵等热力学性质随其粒度的变化规律。 研究结果表明: 1.通过控制反应条件,采用均匀沉淀法可以制备出不同平均粒径的纳米氢氧化铜;除氨温度和溶液的浓度对纳米氢氧化铜的粒径有显著影响;除氨温度越高,所制备出的纳米氢氧化铜粒径越小;而硫酸铜溶液的浓度越高,所制备出的纳米氢氧化铜的粒径越大。 2.纳米粒子的粒度对分解温度有显著的影响,随着粒径的减小,分解温度降低;且纳米粒子的分解温度与其粒径的倒数呈线性关系。 3.粒度对纳米粒子热分解反应的标准平衡常数Ko?、标准摩尔吉布斯自由能Δr Gmo?、标准摩尔反应焓ΔrH mo?和标准摩尔反应熵ΔrS mo?都有明显的影响;并且随着其粒度的减小,其标准平衡常数增大,标准摩尔吉布斯自由能Δr Gmo ?、标准摩尔反应焓Δr Hm ?o、标准摩尔反应熵Δr Sm o?均降低,这一实验结果与纳米体系的热力学理论基本一致。 4.粒度对纳米材料的热稳定性有显著影响,粒度越小,稳定性越差。因此,纳米材料在制备和应用过程中必须采取相应措施提高其稳定性。