‘壹’ 高等无机化学测定纳米材料粒径大小的主要方法有哪些
高等无机化学测定纳米材料粒径大小的主要方法：
1、XRD线宽法：一般可通过XRD图谱，利用Scherrer公式进行纳米颗粒尺寸的计算。XRD线宽法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。该方法是测定微细颗粒尺寸的最好方法。测量的颗粒尺寸范围为≤100nm。
2、激光粒度分析法：测量精度高，测量速度快，重复性好，可测粒径范围广以及可进行非接触测量等。激光粒度分析有衍射式和散射式两种。衍射式对于粒径在5μm以上的样品分析较准确，而散射式则对粒径在5μm以下的纳米、亚微米颗粒样品分析准确。利用激光粒度分析法进行粒度分析时必须对被分析体系的粒度范围预先有所了解，否则分析结果会不准确。该方法是建立在颗粒为球形、单分散条件上的，而实际被测颗粒多为不规则形状并呈多分散性。因此颗粒的形状和粒径分布特性对最终粒度分析结果影响较大，颗粒形状越不规则，粒径分布越宽，分析结果的误差就越大。
3、沉降粒度分析法是通过颗粒在液体中的沉降速度来测量粒度分布的方法。主要有重力沉降式和离心沉降式两种光透沉降粒度分析方式，适合纳米颗粒度分析的方法主要是离心式分析法。该方法具有操作方便、价格低、运行成本低、样品用量少、测试范围宽（一般可达0,1-200μm）、对环境要求不高等特点；但该方法也存在着检测速度慢、重复性差、对非球形粒子误差大、不适于混合物料等缺点。
4、电超声粒度分析法：该方法测量的粒度范围为5nm-100μm。电超声粒度分析法在分析中需要粒子和液体的密度、液体的黏度、粒子的质量分数及热膨胀系数等参数。该方法的优点是可测高浓度分散体系和乳液的颗粒尺寸，不需要稀释，避免了激光粒度分析法不能分析高浓度分散体系粒度的缺陷，且分析精度高，分析范围更宽。
5、对于特定材料的纳米粉，无论是氧化物、氮化物还是金属粉末，没有规定用特殊的方法来测量其颗粒尺寸。主要根据材料的颗粒性质来决定采用的分析方法，通常均采用TEM观察法；若材料是由微细的晶粒组成，则常采用XRD线宽法来测定其晶粒粒径的大小。若采用这两种方法不能得到满意的结果，那么，可根据估测的粒径范围来选用本文第三部分介绍的方法。这些方法得到的粒径结果不仅准确，而且还能得到颗粒的形状，但这些方法成本高，应根据需要来选用。
‘贰’ 纳米材料粒度测试方法大全
纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米数量级 (1~100 nm)，或由纳米结构单元组成的具有特殊性质的材料，被誉为“21世纪最重要的战略性高技术材料之一”。当材料的粒度大小达到纳米尺度时，将具有传统微米级尺度材料所不具备的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等诸多特性，这些特异效应将为新材料的开发应用提供崭新思路。
目前，纳米材料已成为材料研发以及产业化最基本的构成部分，其中纳米材料的粒度则是其最重要的表征参数之一。本文根据不同的测试原理阐述了8种纳米材料粒度测试方法，并分析了不同粒度测试方法的优缺点及适用范围。
1.电子显微镜法
电子显微镜法是对纳米材料尺寸、形貌、表面结构和微区化学成分研究最常用的方法, 一般包括扫描电子显微镜法（SEM） 和透射电子显微镜法（TEM）。对于很小的颗粒粒径, 特别是仅由几个原子组成的团簇，采用扫描隧道电镜进行测量。计算电镜所测量的粒度主要采用交叉法、最大交叉长度平均值法、粒径分布图法等。
优点： 该方法是一种颗粒度观测的绝对方法, 因而具有可靠性和直观性。
缺点： 测量结果缺乏整体统计性；滴样前必须做超声波分散；对一些不耐强电子束轰击的纳米颗粒样品较难得到准确的结果。
2.激光粒度分析法
激光粒度分析法是基于Fraunhofer衍射和Mie氏散射理论，根据激光照射到颗粒后，颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布的。因此相应的激光粒度分析仪分为激光衍射式和激光动态散射式两类。一般衍射式粒度仪适于对粒度在5μm以上的样品分析，而动态激光散射仪则对粒度在5μm以下的纳米、亚微米颗粒样品分析较为准确。所以纳米粒子的测量一般采用动态激光散射仪。
优点： 样品用量少、自动化程度高、重复性好, 可在线分析等。
缺点： 不能分析高浓度的粒度及粒度分布，分析过程中需要稀释，从而带来一定误差。
3.动态光散射法
动态光散射也称光子相关光谱，是通过测量样品散射光强度的起伏变化得出样品的平均粒径及粒径分布。液体中纳米粒子以布朗运动为主，其运动速度取决于粒径、温度和黏度系数等因素。在恒定温度和黏度条件下, 通过光子相关谱法测定颗粒的扩散系数就可获得颗粒的粒度分布，其适用于工业化产品粒径的检测，测量粒径范围为1nm~5μm的悬浮液。
优点： 速度快，可获得精确的粒径分布。
缺点： 结果受样品的粒度大小以及分布影响较大, 只适用于测量粒度分布较窄的颗粒样品；测试中应不发生明显的团聚和快速沉降现象。
4.X射线衍射线宽法（XRD）
XRD测量纳米材料晶粒大小的原理是当材料晶粒的尺寸为纳米尺度时，其衍射峰型发生相应的宽化，通过对宽化的峰型进行测定并利用Scherrer公式计算得到不同晶面的晶粒尺寸。对于具体的晶粒而言, 衍射hkl的面间距dhkl和晶面层数N的乘积就是晶粒在垂直于此晶面方向上的粒度Dhkl。试样中晶粒大小可采用Scherrer公式进行计算:
式中：λ-X射线波长;θ-布拉格角 (半衍射角) ;βhkl-衍射hkl的半峰宽。
优点： 可用于未知物的成分鉴定。
缺点： 灵敏度较低；定量分析的准确度不高；测得的晶粒大小不能判断晶粒之间是否发生紧密的团聚；需要注意样品中不能存在微观应力。
5.X射线小角散射法 (SAXS)
当X射线照到材料上时，如果材料内部存在纳米尺寸的密度不均匀区域，则会在入射X射线束的周围2°~5°的小角度范围内出现散射X射线。当材料的晶粒尺寸越细时，中心散射就越漫散，且这种现象与材料的晶粒内部结构无关。SAXS法通过测定中心的散射图谱就可以计算出材料的粒径分布。SAXS可用于纳米级尺度的各种金属、无机非金属、有机聚合物粉末以及生物大分子、胶体溶液、磁性液体等颗粒尺寸分布的测定；也可对各种材料中的纳米级孔洞、偏聚区、析出相等的尺寸进行分析研究。
优点： 操作简单；对于单一材质的球形粉末, 该方法测量粒度有着很好的准确性。
缺点： 不能有效区分来自颗粒或微孔的散射，且对于密集的散射体系，会发生颗粒散射之间的干涉效应，导致测量结果有所偏低。
6.X射线光电子能谱法（XPS）
XPS法以X射线作为激发源，基于纳米材料表面被激发出来的电子所具有的特征能量分布（能谱）而对其表面元素进行分析，也称为化学分析光电子能谱（ESCA）。由于原子在某一特定轨道的结合能依赖于原子周围的化学环境，因而从X射线光电子能谱图指纹特征可进行除氢、氦外的各种元素的定性分析和半定量分析。
优点： 绝对灵敏度很高，在分析时所需的样品量很少。
缺点： 但相对灵敏度不高, 且对液体样品分析比较麻烦；影响X射线定量分析准确性的因素相当复杂。
7.扫描探针显微镜法（SPM）
SPM法是利用测量探针与样品表面相互作用所产生的信号, 在纳米级或原子级水平研究物质表面的原子和分子的几何结构及相关的物理、化学性质的分析技术，尤以原子力显微镜 （AFM）为代表, 其不仅能直接观测纳米材料表面的形貌和结构, 还可对物质表面进行可控的局部加工。
优点： 在纳米材料测量和表征方面具有独特性优势。
缺点： 由于标准物质的缺少，在实际操作中缺乏实施性。
8.拉曼光谱法
拉曼光谱法低维纳米材料的首选方法。它基于拉曼效应的非弹性光散射分析技术, 是由激发光的光子与材料的晶格振动相互作用所产生的非弹性散射光谱, 可用来对材料进行指纹分析。拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关, 不同的物质产生不同的拉曼频移。拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析、晶粒平均粒径的测量等。
优点： 灵敏度高、不破坏样品、方便快速。
缺点： 不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响；在进行傅里叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性问题等。
小结
纳米材料粒度的测试方法多种多样，但不同的测试方法对应的测量原理不同，因而不同测试方法之间不能进行横向比较。不同的粒度分析方法均有其一定的适用范围以及对应的样品处理方法，所以在实际检测时应综合考虑纳米材料的特性、测量目的、经济成本等多方面因素，确定最终选用的测试方法。
参考资料
1.汪瑞俊，《纳米材料粒度测试方法及标准化》；
2.谭和平等，《纳米材料的表征与测试方法》；
3.王书运，《纳米颗粒的测量与表征》。
‘叁’ 纳米材料的表征技术有什么
透射电镜（结合图象分析仪）法，光子相关谱（PCS）（或称动态光散射），比表面积法以及X射线小角散射法（SAXS）等四种。1、透射电镜法：透射电镜是一种直观、可靠的绝对尺度测定方法，对于纳米颗粒，它可以观察其大小、形状，还可以根据像的衬度来估计颗粒的厚度，显微镜结合图像分析法还可以选择地进行观测和统计，分门别类给出粒度分布。如果将颗粒进行包埋、镶嵌和切片减薄制样，还可以对颗粒内部的微观结构作进一步地分析。当对于所检测的样品清晰成像后，就是一个测量和统计的问题。一种作法是选取足够多的视场进行照相，获得数百乃至数千个颗粒的电镜照片，再将每张照片经扫描进入图象分析仪进行分析统计。按标准刻度计算颗粒的等效投影面积直径，同时统计落在各个粒度区间的颗粒个数。然后计算出以个数为基准的粒度组成、平均粒度 、分布方差等，并可输出相应的直方分布图。在应用软件中还包括个数分布向体积分布转换的功能，往往将这两种分布及相关的直方图和统计平均值等都出来。该方法的优点是直观，而且可以得到颗粒形状信息，缺点是要求颗粒要处于良好的分散状态，另外，由于用显微镜观测时所需试样量非常少，所以对试样的代表性要求严格。因此取样和制样的方法必须规范；而且要对大量的颗粒的粒径进行统计才能得到粒度分布值或平均粒径。2、光子相关谱法：该方法是基于分子热运动效应，悬浮于液体中的微细颗粒都在不停地作布朗运动，其无规律运动的速率与湿度和液体的粘度有关，同时也与颗粒本身的大小有关。对于大的颗粒其移动相对较慢，而小的颗粒则移动较快。这种迁移导致颗粒在液体中的扩散，对分散于粘度为η的球形颗粒，彼此之间无交互作用时，它的扩散系数D同粒径x之间的关系满足一关系。而当一束激光通过稀薄的颗粒悬浮液时，被照射的颗粒将会向四周散射光。在某一角度下所测散射光的强度和位相将取决于颗粒在光束中的位置以及颗粒与探测器之间的距离。由于颗粒在液体中不断地作布朗运动，它们的位置随机变动，因而其散射光强度也随时间波动。颗粒越小，扩散运动越强，散射光强度随即涨落的速率也就越快；反之则相反。光子相关谱（PCS）法这正是从测量分析这种散射光强的涨落函数中获得颗粒的动态信息，求出颗粒的平移扩散系数而得到颗粒得粒度信息的，所以又称为动态光散射法。光子相关谱法粒度分析的范围约3nm～1000nm。测试速度快，对粒度分布集中且颗粒分散好的样品，测量结果重复性好。该方法缺点是要求样品要处于良好的分散状态，否则测出的是团聚体的粒度大小。3、比表面积法：粉末的比表面积为单位体积或单位质量粉末颗粒的总表面积，它包括所有颗粒的外表面积以及与外表面积相联通的孔所提供的内表面积。粉末的比表面积同其粒度、粒度分布、颗粒的形状和表面粗糙度等众多因数有关，它是粉末多分散性的综合反映。测定粉末比表面积的方法很多，如空气透过法、BET吸附法、浸润热法、压汞法、X射线小角散射法等，另外也可以根据所测粉末的粒度分布和观察的颗粒形状因子来进行计算。在以上方法中，BET低温氮吸附法是应用最广的经典方法，测量比表面积的BET吸附法，是基于测定样品表面上气体单分子层的吸附量。最广泛使用的吸附剂是氮气，测定范围在1—1000m2/g，十分适合对纳米粉末的测定；该方法的优点是设备简单，测试速度快，但它仅仅是纳米粉末的比表面积的信息，通过换算可以得到平均粒径的信息，但不能知道其粒度分布的情况。4、X射线小角散射法：X射线小角散射（SAXS）系发生于原光束附近0～几度范围内的相干散射现象，物质内部1至数百纳米尺度的电子密度的起伏是产生这种散射效应的根本原因。因此SAXS技术可以用来表征物质的长周期、准周期结构以及呈无规分布的纳米体系。广泛地用于1～300nm范围内的各种金属和非金属粉末粒度分布的测定，也可用于胶体溶液、磁性液体、病毒、生物大分子以及各种材料中所形成的纳米级微孔、GP区和沉淀析出相尺寸分布的测定。SAXS的结果所反映的为一次颗粒的尺寸：所谓一次颗粒，即原颗粒，可以相互分离而独立存在的颗粒。很多颗粒粘附在一起形成团粒，这在纳米粉末中是相当常见的。如不能将其中的颗粒有效地分散开来，它们将会作为一个整体而沉降、遮挡和散射可见光，其测试结果势必为团粒尺寸的反映。而SAXS测试结果所反映的既非晶粒亦非团粒而是一次颗粒的尺寸。测试结果的统计代表性：检测结果是否具有代表性，当取样合理时，主要是看测量信息来源于多少个颗粒。对小角散射而言就是要看测量时X射线大约照射上多少颗粒，根据上述参数可以算出X射线辐照体积内的颗粒数近似为1.8×10的10次方个。因此，我们可以认为一般小角散射信息来自10的9次方～10的11次方个颗粒，这也就保证其结果的统计代表性。