納米多孔金屬材料的研究現(xiàn)狀及主要制備方法

程芳芳

（呂梁職業(yè)技術(shù)學院，山西 孝義 032300）

1 納米多孔金屬材料簡介

納米多孔金屬是一種納米級別的金屬薄膜材料，具有三維多孔結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代生活多領(lǐng)域中有著廣泛的應用。自從20世紀20年代美國工程師M.Raney發(fā)現(xiàn)雷尼鎳以來，多孔金屬就引起了全世界科學家的關(guān)注。Raney鎳是第一代多孔金屬材料，它是由NaOH處理的鎳和硅的混合物或者鎳和鋁的比例為1:1形成的多孔鎳結(jié)構(gòu)，其中硅和鋁被腐蝕。第一代鎳，曾經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，吸引了來自工業(yè)和研究領(lǐng)域的人們的關(guān)注，具有優(yōu)異的催化活性[1-3]（普通鎳的催化活性的五倍）。

2 納米多孔金屬材料的研究現(xiàn)狀與進展

納米多孔金屬是一種具有與其他金屬材料結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)納米材料。近幾年來，因為它不同于其他金屬材料的結(jié)構(gòu)特性，在很多的方面得到了很大的應用。納米多孔金屬結(jié)構(gòu)，是由金屬結(jié)構(gòu)和納米材料大小的小孔組成，它有一些功能是金屬材料的一些基本性能[4，5]。納米多孔金屬是一種特別的金屬材料的一種納米級宏觀材料，它的形狀差不多跟塊狀一樣。它的表面特征是：里面有許多納米孔一個連著一個，和金屬結(jié)構(gòu)的微觀大小。但雖然它是一種納米結(jié)構(gòu)的差不多像是塊狀金屬材料一樣的。然而，小尺寸效應以及表面效應對于小孔邊上和小孔的大小效應都有著相同的地方。作為量子的大小并且對其它研究人員對納米材料的量子隧穿效應，以及宏觀量子隧穿效應的研究，給出了材料在磁場和光場中的特殊性質(zhì)。因此，納米多孔金屬材料具有很多的優(yōu)點比如重量很小、應用原料也很少等優(yōu)點。它們在催化領(lǐng)域有著廣闊的應用前景[6，7]。

目前，多孔金屬材料的應用不僅滿足二元合金體系的制備，而且還利用其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)來加載其他材料，以實現(xiàn)一定的功能應用。例如，通過使用納米多孔金的吸附功能，可以通過測量整個系統(tǒng)的電阻率變化來檢測特定的組分；通過高表面積負荷，藥物顆?？梢灾瞥伤幬镙d體，雙折射膜；利用其結(jié)構(gòu)特點制備催化劑活性和催化劑等[8]；納米金屬材料還可以做為傳感器提供更多的分析數(shù)據(jù)[9-11]；在電容器中，它還可以提高電極的性能。在材料中也有連接或閉合的納米孔，這使得材料具有大的表面積和高的表面能和高的活性。它可應用于基于材料本身的催化領(lǐng)域，或在醫(yī)藥、光學、電力等領(lǐng)域。它的密度使得光的應用成為可能。此外，納米金屬的孔徑和結(jié)構(gòu)可以通過工藝條件來實現(xiàn)，考慮納米結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)、體積、表面、量子大小等的效應以及介電約束等[4]，納米多孔材料是最有前途的材料之一。

3 納米多孔金屬的制備方法

金屬在自然界中的腐蝕通常會造成材料的損傷，例如鋼鐵，我們經(jīng)常在生活中遇到的，這實際上是由金屬在大自然中被大氣慢慢的腐蝕而引起的。在過去的幾年里，如何使用各種方法防止金屬腐蝕這一項研究是許多熱愛研究的科學家們來作為最重要的研究方向。自從20世紀到現(xiàn)在，人們開始關(guān)注于腐蝕產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的形成機制。幾十年后經(jīng)過研究，人們開始認識到制備多孔金屬材料，合金的腐蝕可以起到很好很有效的作用，而且它還很多領(lǐng)域有著廣泛的應用[12]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，多孔金屬材料的制備方法有多種，其中去合金化法是一種便捷、實用的制備納米多孔金屬材料的方法。去合金化方法歷史悠久，在Columbo發(fā)現(xiàn)美洲大陸之前，中國和美國金匠使用了一種稱為窮竭鍍金的工藝來鑄造金的顏色。這些過程通常包括將鑄件浸入腐蝕溶液中，這實際上是在鑄件中除去銅或銀以形成富含金的海綿狀表面；在中世紀之前，歐洲金匠也有金和銀合金著色的記錄，這些金和銀合金被包裹在一些活性粉末中[13]（可能含有石灰粉），通過加熱等方法除去Ag。去合金化的過程是一種選擇性挑剔的腐蝕過程。因為合金的組成構(gòu)造成分之間，也有這一定的電位差而且還非常的大，因此可以通過化學或電化學方法使用化學或電化學方法來溶解合金中更活潑的金組分。這確保了金屬的電化學性能更加穩(wěn)定，留下了以穩(wěn)定金屬元素為骨架的納米多孔材料[6]。

3.1 去合金化腐蝕過程

化學腐蝕和電化學腐蝕是去合金化腐蝕的兩種方法。化學腐蝕，它是由金屬合金在具有腐蝕性的溶液中直接相接觸并且發(fā)生腐蝕的化學反應引起的?；瘜W腐蝕也是可以在金屬合金里面的直接應用的，電解質(zhì)以及非電解質(zhì)都可以是它的介質(zhì)。電化學腐蝕方法就是，以金屬合金為工作電極，以飽和甘汞電極或其他電極做為電極和參比電極。然后，將小電壓加入到工作電極上，這樣就可以使合金中的活性元素，與電解液相溶解，從而形成多孔金屬。因為電壓的增加，電化學腐蝕的腐蝕速率會比自由腐蝕快，孔徑越小，分布越均勻一些[14，15]。研究表明，化學腐蝕可以得到孔的直徑大約100nm的納米多孔金，電化學腐蝕制備的納米金在10nm以下。制備多孔金最簡易的方法就是去合金法。制備出來的納米多孔金屬比傳統(tǒng)的多孔泡沫金屬要好一些。它有一些優(yōu)點是傳統(tǒng)的多空泡沫金屬沒有的，比如孔的大小比較小、空的分布也比較整齊均勻、也很少混合其他雜質(zhì)、孔的直徑連續(xù)可調(diào)（從幾納米到幾微米）、柔性也很好控制的宏觀尺寸和材料形貌等的優(yōu)點。

3.2 去合金化法制備金屬納米多孔材料的特點

通過去合金法制備的納米多孔材料具有以下特點：①孔徑小，約1000納米，通過控制合金的比例和合金的反應時間，可以控制納米尺寸。②高表面積、脫合金方法是一種極其復雜的方法。無序的內(nèi)連通孔結(jié)構(gòu)非常大，在催化領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。③高孔隙率合金中各組分的比例普遍較低，基體成分含量較高。當具有較高含量的基組分被脫合金時，只剩下較低的含量。多孔材料的孔隙率一般在50%～80%之間，在分離和過濾方面有廣闊的應用前景[16]。④當表面增強拉曼散射效應被吸附在某些金屬表面時，分子的拉曼散射強度大大增加。根據(jù)拉曼散射的計算金、銀、銅等金屬的拉曼散射強度，是普通拉曼散射的104-107倍。納米多孔合金的表面不光滑、不均勻。當光波照射到多孔合金表面的時候，它也會有很高的強度，拉曼散射效應也會比較強[17]。

4 結(jié)語

納米多孔金屬材料是一種應用于多領(lǐng)域的新型材料，去合金化法是目前生產(chǎn)納米多孔金屬材料的主要制備方法，隨著科技的發(fā)展，納米多孔金屬材料的制備方法將更加快捷方便。