淺談溶液法化學(xué)合成微納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物

【摘 要】近幾年，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如：電學(xué)、催化、氣體傳感器等。通過(guò)對(duì)新合成的微納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物生長(zhǎng)過(guò)程的探索與研究，從而合理調(diào)控其尺寸與結(jié)構(gòu)，這對(duì)按照人類醫(yī)院設(shè)計(jì)合成材料有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要對(duì)各種溶液法合成微納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物的過(guò)程與發(fā)展進(jìn)行了深入的探討和分析。

【關(guān)鍵詞】金屬氧化物；化學(xué)合成；微米結(jié)構(gòu)；納米結(jié)構(gòu)

0.前言

現(xiàn)如今，對(duì)材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用對(duì)人類的發(fā)展發(fā)揮了非常重要的作用。可以說(shuō)，當(dāng)前材料和能源、信息并成為現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的主要支柱，再加上，信息技術(shù)和能源技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)離不開(kāi)材料技術(shù)的支持。近幾年，由于我國(guó)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，從而使得對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)逐步提高。尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后有學(xué)者提出相對(duì)論與量子力學(xué)的觀點(diǎn)，這樣一來(lái)，人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)逐步由宏觀階段進(jìn)入到微觀階段。生活在一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的時(shí)代，信息、能源、生物技術(shù)、制造技術(shù)等的發(fā)展勢(shì)必會(huì)對(duì)材料技術(shù)的發(fā)展提出更高的要求。例如：在元件設(shè)計(jì)上，要求更加智能化、小型化，尺寸要求越來(lái)越小，然而，在軍事領(lǐng)域、設(shè)備制造等領(lǐng)域?qū)Σ牧系男阅芤笾饾u增高?？梢哉f(shuō)，對(duì)新材料的研究勢(shì)必會(huì)對(duì)今后我國(guó)社會(huì)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生巨大的影響。當(dāng)前，對(duì)微納米技術(shù)的研究在整個(gè)材料研究領(lǐng)域占據(jù)十分重要的地位。通過(guò)不斷改進(jìn)微納結(jié)構(gòu)制備方法，更有利于人們?cè)谠?、分子水平上認(rèn)識(shí)晶體的整個(gè)形成過(guò)程，不斷擴(kuò)寬對(duì)材料性能的深入研究，從而使按照人們的意愿設(shè)計(jì)所需的納米器具提供更為合理、合理的指導(dǎo)。

1.溶液法化學(xué)合成微納米結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)過(guò)程

事實(shí)上，溶液法化學(xué)合成微納米顆粒就是晶體顆粒成核與不斷生長(zhǎng)的過(guò)程。使其最終實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒結(jié)構(gòu)、尺寸、維度等進(jìn)行控制，因此，我們應(yīng)該事先對(duì)顆粒整個(gè)成形過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)了解。按照結(jié)晶學(xué)理論來(lái)分析晶體的生長(zhǎng)過(guò)程，納米晶體的成形過(guò)程實(shí)際上是若干個(gè)晶體晶面激烈的競(jìng)爭(zhēng)生產(chǎn)過(guò)程。然而，納米晶體的生產(chǎn)特性主要是由晶體表面能大小所決定的，其中，表面能越高，晶面生長(zhǎng)速度就會(huì)很快，反義，生長(zhǎng)速度會(huì)非常慢。隨著時(shí)間的不斷推移，晶體生長(zhǎng)速度較快的晶面會(huì)慢慢變小最終消失，但是，生產(chǎn)速度很慢的晶面會(huì)慢慢變大，最終便形成一個(gè)比較穩(wěn)定的晶體。除此之外，在晶體生長(zhǎng)時(shí)，需要在溶液內(nèi)部加入適量的添加劑，這樣一來(lái)，能夠從根本上改變晶面表面能的高低順序。在加入添加劑后，某些晶面吸附性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)比其它晶面強(qiáng)，此種優(yōu)先吸附不僅可以大大降低吸附晶面表面能，而且又可以阻止晶體朝著垂直晶面方向生長(zhǎng)，有利于改變晶體的最終形狀。

2.微納米結(jié)構(gòu)合成法研究發(fā)展

我們對(duì)鉑資源并不陌生，它有用途十分廣泛。但是，目前我國(guó)鉑資源相對(duì)比較缺乏，再加上，價(jià)格較高，那么，怎樣才可以提高鉑納米材料穩(wěn)定性、催化性是材料技術(shù)發(fā)展的非常重要的問(wèn)題?，F(xiàn)如今，研究學(xué)者面臨的一巨大挑戰(zhàn)是傳統(tǒng)化學(xué)法只可以合成表面能較小的金屬納米晶體，而晶體的形狀通常是比較正規(guī)的立方體、八面體等，形成“低指數(shù)”的晶面結(jié)構(gòu)。然而，通過(guò)科學(xué)家的證實(shí)，只有“高指數(shù)”晶面結(jié)構(gòu)才可以提高納米晶體的催化效率。例如：當(dāng)前二十四面體是非常少見(jiàn)的一種晶體形狀，表面結(jié)構(gòu)由高指數(shù)晶面所圍成。有科學(xué)家曾經(jīng)提出方波點(diǎn)位便可以產(chǎn)生周期性的氧化還原驅(qū)動(dòng)，這樣一來(lái)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉑納米晶體生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的控制，首次生產(chǎn)出高指數(shù)晶面結(jié)構(gòu)，即二十四面體納米晶體。通過(guò)改變控制條件，從而將納米晶體尺寸大小發(fā)生巨大變化。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)證實(shí)鉑納米催化劑活性與穩(wěn)定性得到了大大提高，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域中具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于此種新的研究方法來(lái)說(shuō)，既可以控制納米晶體結(jié)構(gòu)又可以調(diào)控晶體的生長(zhǎng)速度，進(jìn)而制備出具有高表面能的金屬納米晶體，完全打破了傳統(tǒng)溶液化學(xué)合成低表面能金屬納米晶體的限制。

3.模板法合成中空結(jié)構(gòu)金屬氧化物

模板法合成中空結(jié)構(gòu)金屬氧化物中，模板主要以微溶性無(wú)機(jī)鹽，結(jié)合克肯達(dá)爾空位效應(yīng)來(lái)生產(chǎn)中空結(jié)構(gòu)材料的辦法。若想要擴(kuò)展模板法，應(yīng)該結(jié)合溶液體系下各種鋅的氧化物在溶液中溶液度差規(guī)律，進(jìn)而合成硫化鋅中空微米球。由于氧化鋅具有各向異性生長(zhǎng)特性與無(wú)電流取代反應(yīng)，有學(xué)者設(shè)計(jì)出一套較為合理的合成空空氧化鋅管狀材料的原位模板法。在制備過(guò)程中，氧化鋅中空管是利用錯(cuò)算在模板中腐蝕形成的，得到的氧化鋅管外徑大約在1-2微米之間，然而，壁厚大約在200-300納米范圍內(nèi)。利用先進(jìn)的設(shè)備我們可以發(fā)現(xiàn)氧化鋅直徑由根部至頂部發(fā)生很大的改變，所以，便出現(xiàn)了特殊的錐形管形狀。

4.前驅(qū)體法合成微納米金屬氧化物

由于堿式碳酸鎂具有形成片狀結(jié)構(gòu)的特性，因此，有科學(xué)家便設(shè)計(jì)出一套利用堿式碳酸鎂而生產(chǎn)等級(jí)結(jié)構(gòu)氧化鎂前驅(qū)體合成方法。首先，我們先制備堿式碳酸鎂的前驅(qū)體，進(jìn)而在某一特定溫度下有效控制分解前驅(qū)體過(guò)程，只有這樣，才可以生產(chǎn)出等級(jí)結(jié)構(gòu)形狀的氧化鎂。除此之外，由于碳酸鎂在溶液中溶解度是非常小的特性，可以將碳酸鎂當(dāng)作反應(yīng)物，通過(guò)離子置換反應(yīng)，制備出很多種金屬氧化物微納米結(jié)構(gòu)材料。文章中將氧化鎂立方體借助離子置換反映，便提出一種離子替代固液反應(yīng)的方法，這種方法克服傳統(tǒng)固液不能對(duì)晶體成核和生長(zhǎng)進(jìn)行控制的漏洞。然而，離子置換方法卻能夠有效控制金屬氧化物微納米材料的形成，與此同時(shí)，這也將為其它金屬氧化物微納米結(jié)構(gòu)材料的產(chǎn)生提供一個(gè)合理的借鑒。當(dāng)前，借助堿式碳酸鎂特性生產(chǎn)金屬氧化物納米結(jié)構(gòu)是研究的重點(diǎn)課題，堿式碳酸鎂在溶液中的生長(zhǎng)特性與微溶特性為合成金屬氧化物微納米結(jié)構(gòu)提供了很多選擇的可能，這樣一來(lái)，我們便更容易生產(chǎn)多種形狀、尺寸的金屬氧化物微納米材料。

5.結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，對(duì)新材料的研究勢(shì)必會(huì)對(duì)今后我國(guó)社會(huì)的發(fā)展、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等產(chǎn)生巨大的影響。當(dāng)前，對(duì)微納米技術(shù)的研究在整個(gè)材料研究領(lǐng)域占據(jù)十分重要的地位。通過(guò)不斷改進(jìn)微納結(jié)構(gòu)制備方法，更有利于人們?cè)谠印⒎肿铀缴险J(rèn)識(shí)晶體的整個(gè)形成過(guò)程，不斷擴(kuò)寬對(duì)材料性能的深入研究。通過(guò)對(duì)溶液化學(xué)合成法合成金屬氧化物微納米結(jié)構(gòu)，從其結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)行為等作為其研究的起點(diǎn)，對(duì)化學(xué)法合成技術(shù)加以完善和補(bǔ)充。我們得出了下述結(jié)論，由于反應(yīng)物與生產(chǎn)物在溶液中的溶液度的不同，利用離子置換法，提出一種制備金屬氧化物微納米材料發(fā)方法，以便制備多種形貌與維度的材料。在反應(yīng)溶液中，因反應(yīng)物與生產(chǎn)物溶解度有一定差別，這樣一來(lái)，金屬陽(yáng)離子由最初的溶液狀態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，進(jìn)而利用離子交換反映，便可以得到金屬前驅(qū)物，再將前驅(qū)物燃燒就能夠合成金屬氧化物微納米材料。

【參考文獻(xiàn)】

［１］陶鋒，於孝朋.MnS納米線陣列上MnS花狀球的水熱合成[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2010(4).

［２］陶宇，王輝.微波輔助法制備形貌可控CeO2納米材料[J].中國(guó)稀土學(xué)報(bào)，2010(4).

［３］劉新建.液相法合成分等級(jí)CuO納米片[J].信陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008(1).

［４］賈殿贈(zèng)，曹亞麗.氫氧化鈷納米棒的室溫固相化學(xué)合成及其表征[J].無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2005(4).