納米材料制備方法研究

尹　衡

(武漢理工大學(xué)材料學(xué)院,湖北 武漢 430070)

摘要:介紹了幾種納米材料的物理和化學(xué)制備方法,并對(duì)不同方法的優(yōu)劣進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞:納米材料;物理方法;化學(xué)方法

中圖分類號(hào):TV504文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):16723198(2009)15027402

1引言

納米材料和納米科技被廣泛認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的新型材料和科技領(lǐng)域之一。早在二十世紀(jì)60年代,英國(guó)化學(xué)家Thomas就使用“膠體”來(lái)描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年,《Nanostructured Materials》正式出版,標(biāo)志著納米材料學(xué)成為一門獨(dú)立的科學(xué)。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準(zhǔn)晶體以及界面層結(jié)構(gòu)的材料。當(dāng)粒子尺寸小至納米級(jí)時(shí),其本身將具有表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng),這些效應(yīng)使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來(lái),一維納米材料由于具有許多獨(dú)特的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景而引起了人們的廣泛關(guān)注。納米結(jié)構(gòu)無(wú)機(jī)材料因具有特殊的電、光、機(jī)械和熱性質(zhì)而受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。美國(guó)自1991年開(kāi)始把納米技術(shù)列入“政府關(guān)鍵技術(shù)”,我國(guó)的自然科學(xué)基金等各種項(xiàng)目和研究機(jī)構(gòu)都把納米材料和納米技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。由于納米材料的形貌和尺寸對(duì)其性能有著重要的影響,因此,納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級(jí)納米結(jié)構(gòu)材料和納米器件的基本構(gòu)成單元(Bui1ding Blocks),納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎(chǔ)。本文簡(jiǎn)單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法,并對(duì)其優(yōu)劣進(jìn)行了比較。

2納米材料的合成與制備方法

2.1物理制備方法

2.1.1機(jī)械法

機(jī)械法有機(jī)械球磨法、機(jī)械粉碎法以及超重力技術(shù)。機(jī)械球磨法無(wú)需從外部供給熱能,通過(guò)球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng),使大晶粒變?yōu)樾【Я?得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級(jí)的Fe-18Cr-9W合金粉末。機(jī)械粉碎法是利用各種超微粉機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當(dāng)于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加強(qiáng),從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應(yīng)用超重力技術(shù)制備粒徑20nm—80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。

2.1.2氣相法

氣相法包括蒸發(fā)冷凝法、溶液蒸發(fā)法、深度塑性變形法等。蒸發(fā)冷凝法是在真空或惰性氣體中通過(guò)電阻加熱、高頻感應(yīng)、等離子體、激光、電子束、電弧感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài),然后在氣體介質(zhì)中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護(hù)下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm—50 nm范圍內(nèi)可控。魏勝用蒸發(fā)冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發(fā)法是將溶劑制成小滴后進(jìn)行快速蒸發(fā),使組分偏析最小,一般可通過(guò)噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準(zhǔn)靜態(tài)壓力的作用下,材料極大程度地發(fā)生塑性變形,而使尺寸細(xì)化到納米量級(jí)。有文獻(xiàn)報(bào)道,Φ82mm的Ge在6GPa準(zhǔn)靜壓力作用后,再經(jīng)850℃熱處理,納米結(jié)構(gòu)開(kāi)始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900℃時(shí),晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控濺射法與等離子體法

濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動(dòng)量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無(wú)相變,化合物的成分不易發(fā)生變化。目前,濺射技術(shù)已經(jīng)得到了較大的發(fā)展,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過(guò)直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發(fā),蒸汽達(dá)到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產(chǎn)物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。

以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法,這些制備方法基本不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng),因此,在控制合成不同形貌結(jié)構(gòu)的納米材料時(shí)具有一定的局限性。

2.2化學(xué)制備方法

2.2.1溶膠—凝膠法

溶膠—凝膠法的化學(xué)過(guò)程首先是將原料分散在溶劑中,然后經(jīng)過(guò)水解反應(yīng)生成活性單體,活性單體進(jìn)行聚合,開(kāi)始成為溶膠,進(jìn)而生成具有一定空間結(jié)構(gòu)的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應(yīng),生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。Marcus Jones等以CdO為原料,通過(guò)加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子點(diǎn),顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產(chǎn)率(quantum yield,QY)為13.8%。

2.2.2離子液法

離子液作為一種特殊的有機(jī)溶劑,具有獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),如粘度較大、離子傳導(dǎo)性較高、熱穩(wěn)定性高、低毒、流動(dòng)性好以及具有較寬的液態(tài)溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發(fā)性,不易造成環(huán)境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結(jié)構(gòu)的一種良好介質(zhì)。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質(zhì)中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3納米花。他們認(rèn)為溶液的pH值、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間等條件對(duì)納米花的形貌和晶相結(jié)構(gòu)有很重要的影響。他們證實(shí),這些納米花由直徑60nm—80 nm的納米線構(gòu)成,隨老化時(shí)間的增加,這些納米線會(huì)從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅(qū)原料,以離子液為反應(yīng)介質(zhì),合成了單晶Bi2S3納米棒。

2.2.3溶劑熱法

溶劑熱法是指在密閉反應(yīng)器(如高壓釜)中,通過(guò)對(duì)各種溶劑組成相應(yīng)的反應(yīng)體系加熱,使反應(yīng)體系形成一個(gè)高溫高壓的環(huán)境,從而進(jìn)行實(shí)現(xiàn)納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅(qū)體Bi[S2P(OC8H17)2]3作反應(yīng)物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi2S3納米棒,且該方法適于大規(guī)模生產(chǎn)。Liu等用Bi(NO3)3?5H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,采用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應(yīng)24-72 h制得了長(zhǎng)達(dá)數(shù)毫米的Bi2S3納米帶。

2.2.4微乳法

微乳液制備納米粒子是近年發(fā)展起來(lái)的新興的研究領(lǐng)域,具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優(yōu)點(diǎn)。1943年Hoar等人首次報(bào)道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發(fā)地形成一種熱力學(xué)穩(wěn)定體系,體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成,并將這種體系定名微乳液。自那以后,微乳理論的應(yīng)用研究得到了迅速發(fā)展。1982年,Boutonnet等人應(yīng)用微乳法,制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料,由于它獨(dú)特的工藝性能和較為簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置,在實(shí)際應(yīng)用中受到了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。

4結(jié)論

納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能,可廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事和民用工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。它不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用,也為傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)帶來(lái)生機(jī)和活力。隨著納米材料制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展,工業(yè)化生產(chǎn)納米材料必將對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生重大影響。但到目前為止,開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、商品化規(guī)模。主要問(wèn)題是:對(duì)控制納米粒子的形狀、粒度及其分布、性能等的研究很不充分;納米材料的收集、存放,尤其是納米材料與納米科技的生物安全性更是急待解決的問(wèn)題。這些問(wèn)題的研究和解決將不僅加速納米材料和納米科技的應(yīng)用和開(kāi)發(fā),而且將極大地豐富和發(fā)展材料科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論。

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