纳米材料的规定热力学函数研究

So far, how to acquire thermodynamic functions of nanomaterials such as heat capacity, standard molar entropy, standard molar enthalpy of formation, and standard molar Gibbs free energy of formation is still an urgent and challenging scientific problem. Besides, it is also the foundation on establishment and development of nanothermodynamic theories and standard formulating of nanotechnology. In this research program, in-situ microcalorimetry and electrochemistry method were employed to controllable synthesis of nano ZnO, Au, Pd and Pt with different sizes, morphologies, orientations and structures. Based on the synthesized nanomaterials, cyclic method of thermodynamic potential functions, chemical equilibrium theory, transition state theory of chemical kinetics, electrochemical method, thermodynamic theory and microcalorimetry were assembled to obtain heat capacity, standard molar entropy, standard molar enthalpy of formation and standard molar Gibbs free energy of formation of nanomaterials, and investigate evolution rules as well as quantitative relations. Associated with state-transition method, chemical equilibrium method, ITC method and electrochemistry method to self-consistent optimization, the purpose of this research program is aimed to provide scientific principle and experimental method for measuring nanothermodynamic functions, thermodynamic controlling of in-situ growth of nanomaterials and establishing national and international standard of nanotechnology, also, to lay the scientific foundation for developing and applying thermodynamic theories of nanomaterials.

采用何种科学的方法获取纳米材料的热容、标准摩尔熵SmΘ、标准摩尔生成焓ΔfHΘm和标准摩尔生成吉布斯自由能ΔfGΘm，是纳米材料科学亟待解决且面临挑战性的科学问题，也是纳米热力学理论建立发展和纳米技术标准制定的基础。本项目通过微量热原位生长控制和电化学法控制纳米ZnO和贵金属金、钯、铂纳米材料的合成，在获取尺度、形貌、取向和结构的基础上，集成热力学势函数的循环法、化学平衡原理、化学动力学的过渡状态理论、电化学方法、热动力学原理和微量热技术，获取纳米材料的热容、SΘm、ΔfHΘm和ΔfGΘm，研究其热力学性质的尺度-形貌-结构效应的演变规律、定量关系并理论分析；关联过渡状态法、化学平衡法、ITC法和电化学法四种方法并验证优化，为纳米材料规定热力学函数测定和纳米材料原位生长的热力学控制以及纳米技术的国家标准和国际标准的建立提供科学的原理和实验方法；为发展纳米材料热力学理论及其应用奠定科学基础。

纳米材料的规定热力学函数具有形貌结构尺寸效应，经典热力学的原理和技术方法无法获得纳米材料的规定热力学函数。采用何种科学的方法获取纳米材料的热容、标准摩尔熵SmΘ、标准摩尔生成焓ΔfHΘm和标准摩尔生成吉布斯自由能ΔfGΘm，是纳米材料物理化学的重要课题，也是纳米热力学理论方法建立发展和纳米测量技术标准建立的基础。本项目在纳米材料形貌结构和尺寸目标材料的可控合成的基础上，集成热力学势函数的循环法、化学平衡原理、化学动力学的过渡状态理论、电化学方法、热动力学原理和微量热技术，建立了纳米材料规定热力学函数测定的科学原理和实验方法，解决了纳米材料规定热力学函数测定的科学技术难题，发展了纳米材料热力学的科学方法；实现了热动力学理论结合化学反应过渡态理论获取获取纳米材料的规定热力学函数和热力学理论结合电化学原理获取纳米材料规定热力学函数的相互佐证；发展了纳米材料原位生长过程的形貌结构尺寸演变与规定热力学函数演变及纳米材料原位生长过程的热力学、动力学及机理同步关联的方法；进一步建立了纳米材料纳米材料规定热力学函数与表面热力学函数的关系方程，在给出表面化学势定义的基础上，建立了多种非球形无内孔多面体纳米材料表面热力学函数的热力学模型、动力学模型和电化学模型，并进行了实验验证；为纳米材料热力学理论发展和应用以及纳米技术的国家标准或国际标准的建立奠定了科学基础。. 该项目发表论文38篇；获授权国家发明专利10项，其中2项获自治区发明创造博览会银奖；出版《化学热力学方法及其纳米物理化学应用》（科学出版社）著作；《纳米材料原位生长的热力学/动力学及规定热力学函数的形貌结构尺寸效应》获2016年广西自然科学三等奖；参加学术会议和邀请专家17次，学术报告13次；参会55人次，论文/墙展30篇； 参加本项目的研究生和本科生52人；《“五创”驱动教学科研互动相长的物理化学创新人才培养》获广西民族大学教学成果一等奖，推荐广自治区高等教育教学成果奖评选。