納米材料的制備方法與應(yīng)用要點

1、納米材料的制備方法與應(yīng)用賈警(11081002)蒙小飛(11091001)1引言自從1984年德國科學(xué)家Gle計er等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得。鐵納米 微粒以來，由于納米材料有明顯不同于體材料和單個分子的獨特性質(zhì)一小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子軌道效應(yīng)等，以及其在電子學(xué)、 光學(xué)、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥等諸多方面的重要價值。引起了世界各國科學(xué)家 的濃厚興趣。幾十年來，對納米材料的制備、性能和應(yīng)用等各方面的研究取得了 豐碩的成果。納米材料指其基本組成顆粒尺寸為納米數(shù)量級，處于原子簇和宏觀 物體交接區(qū)域的粒子。顆粒直徑一般為 1100nm之間。顆?？梢允蔷w，亦可以 是非

2、晶體。由于納米材料具有其特殊的物理、機械、電子、磁學(xué)、光學(xué)和化學(xué)特 性，可以預(yù)見，納米材料將成為 21世紀新一輪產(chǎn)業(yè)革命的支柱之一。2納米材料的制備方法納米材料有很多制備方法，在此只簡要介紹其中幾種。2.1 溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是材料制備的是化學(xué)方法中的較為重要的一種，它提供一種再常溫常 壓下合成無機陶瓷、玻璃、及納米材料的新途徑。溶膠 -凝膠法制備納米材料的主 要步驟為選擇要制備的金屬化合物，然后將金屬化合物在適當?shù)娜軇┲腥芙?，?后經(jīng)過溶膠-凝膠過程而固化，在經(jīng)過低溫處理而得到納米粒子。2.2 熱合成法熱合成法制備納米材料是在高溫高壓下、水溶液中合成，在經(jīng)過分離和后續(xù)處理 而得到納米粒

3、子，水熱合成法可以制備包括金屬、氧化物和復(fù)合氧化物在內(nèi)的產(chǎn) 物。主要集中在陶瓷氧化物材料的制備中。2.3 有機液相合成有機液相合成主要采用在有機溶劑中能穩(wěn)定存在金屬、有機化合物及某些具有特 殊性質(zhì)的無機化合物為反應(yīng)原料，在適當?shù)姆磻?yīng)條件下合成納米材料。通常這些 反應(yīng)物都是對水非常敏感，在水溶劑中不能穩(wěn)定存在的物質(zhì)。最常用的反應(yīng)方式 就是在有機溶劑中進行回流制備。2.4 惰性氣體冷凝法惰性氣體冷凝法是制備清潔界面的納米粉體的主要方法之一。其主要過程是在真 空蒸發(fā)室內(nèi)充入低壓惰性氣體，然后對蒸發(fā)源采用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等 方法使原料氣化或形成等離子體。原料氣體分子與惰性氣體分子碰撞失去能量，

4、 凝集形成納米尺寸的團簇，然后驟冷。該方法制備的納米材料純度高，工藝過程 中無其它雜質(zhì)污染，反應(yīng)速度快，結(jié)晶組織好，但技術(shù)設(shè)備要求高。2.5 反相膠束微反應(yīng)器法油包水微乳液中反相膠束的微液滴是一種特殊納米空間，以此為反應(yīng)場，可使不 同膠束中的反應(yīng)物進行互換，并進行反應(yīng)，從而制備納米級微粒。在制備過程中，反相 膠束是一個微小的反應(yīng)場，稱其為智能微反應(yīng)器。利用反應(yīng)膠束微反應(yīng)器進行納米材料制備 時，反應(yīng)物加入方式有直接加入法和共混入法兩種方式，不同的加入方式對應(yīng)不同的反應(yīng)機 理，但結(jié)果都是相同的，都能制備出高度分散、粒度均勻的納米粒子。2.6 深度塑性變形法深度塑性變形法是指材料在準靜態(tài)壓力的作用下

5、發(fā)生的嚴重塑性變形，從而使材 料的尺寸細化到納米量級。塊體材料在準靜壓力下，一般細化為晶態(tài)材料和非晶態(tài)材料 的混合物，然后經(jīng)過一定的熱處理，從而形成納米材料。該方法制備的材料純度高，粒度可 控性好。3納米材料的應(yīng)用3.1 納米材料在催化劑方面的應(yīng)用在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中催化劑起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時間，提高 反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。在催化劑上，納米材料有極強的優(yōu)勢，納米材料的比表面積 大，表面活性中心多，這為作催化劑提供了必要條件。同時納米材料的體積效應(yīng)和表面效應(yīng)決 定了它具有良好的催化活性和催化反應(yīng)選擇性。它可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，對 比一般催化劑，納米微粒催化劑可提高反應(yīng)速

6、度 1015倍。起化學(xué)催化作用的納米微粒催化劑主要有以下幾種。一是直接用金屬納米微粒作催化劑，該類催化劑以貴金屬（Ag、Pd、Pt、Rh等）的納米粉末為主，F(xiàn)e,Co,Ni等賤金屬也得到了一定應(yīng)用。一些金屬微粒作為催化劑 時，除了提高反應(yīng)效率外，還具有良好的選擇性，并且這種選擇性與納米微粒的顆粒度有關(guān)。 二是將金屬納米微粒到多孔性載體上作催化劑。常用的載體有氧化鋁、二氧化 硅、氧化鎂、二氧化鈦、沸石和活性炭等多孔性載體，負載的金屬納米微粒的粒徑約為1100nm?？梢詫⒍喾N金屬納米微粒同時負載或制成復(fù)合金屬納米微粒后負載到同一載體上，能夠進一步增加催化劑的選擇性。三是用有關(guān)化合物的納米微粒作為催

7、化劑，如 MnS、ZnS、CdS和FeS等硫化物 納米微粒加入到煤、油等燃料后，對煤、油等燃料的燃燒有很好的催化劑助燃作用，同 時不會增加尾氣中的硫含量。除化學(xué)催化作用外，半導(dǎo)體納米粒子的光催化和熱催化作用已經(jīng)引起人們的廣泛 重視并在催化降解有機物等方面得到了 一定應(yīng)用。3.2 納米材料在制備新型工程材料中的應(yīng)用納米材料的小尺寸效應(yīng)使其在較低溫度下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體（如SiC、WC、BC等），且不用添加劑仍能保持其良好的性能，可用于制備低溫?zé)Y(jié)材料。同時這些納米材料由于燒結(jié)溫度低、流動性大、滲透性強、燒結(jié)收縮大，可作為相關(guān)燒結(jié) 過程的活化劑使用，對加快燒結(jié)過程、縮短燒結(jié)時間和降低燒結(jié)

8、溫度有重要作用。納米材料 的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使其熔點降低而且可降低相變溫度，從而使不同材料的熔點 和相變溫度進一步接近并可在低溫下進行固態(tài)反應(yīng)，克服由于不同材料的熔點和相變溫度不 同而引起的難以燒結(jié)成復(fù)合材料的困難，得到燒結(jié)良好的復(fù)合材料。如不同種類的納米陶瓷 粉末在低溫低壓下就可生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷，具有塑性好、硬度高、耐高溫、耐磨、磁化率和矯頑力高、飽和磁矩和磁耗低等優(yōu)異性能，可用于生產(chǎn)發(fā)動機陶瓷和增 韌陶瓷等特種陶瓷，具有廣闊的應(yīng)用前景。3.3 納米材料在磁性材料方面的應(yīng)用磁性材料是信息儲存、處理和傳輸過程的關(guān)鍵材料。在經(jīng)歷了晶態(tài)、非晶態(tài)和納 米微晶態(tài)的發(fā)展階段后

9、，磁性材料現(xiàn)已進入納米微粒與納米結(jié)構(gòu)材料的階段。近 年來隨著信息飛速發(fā)展，求記錄介質(zhì)材料高性能化，特別是記錄高密度化。高記 錄密度的記錄介質(zhì)材料與超微粒有密切關(guān)系。若以超微粒做記錄單元?？墒怯涗?密度大大提高。納米磁性微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高的特 性，用它制作磁性記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。止匕外，在電子計算 機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭和磁盤，在轉(zhuǎn)軸處已普遍采用磁性液體的防 塵密封。3.4 納米材料在涂料方面的應(yīng)用納米材料利用其獨特的光催化技術(shù)對對空氣中有毒氣體有強烈的分解、消除作 用，可用于家庭、醫(yī)院、賓館、和學(xué)校的涂裝；利用納米材料二元協(xié)同的荷葉雙 疏原理

10、，較低的表面張力，具有高強的附著力，漆膜硬度高且有韌性，優(yōu)良的自 潔功能等特性，可用于外墻涂料；納米微粒對紅外和電磁波又吸收隱身作用，由 于納米尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒對這種波的透過率比常規(guī)材 料要強得多，這就大大減少波的反射率，從而達到隱身作用；利用納米材料的這 種特性，可用于飛機、潛艇、導(dǎo)彈等的涂裝材料上。納米涂層具有良好的應(yīng)用前 景，將為涂層技術(shù)帶來一場新的技術(shù)革命，也將推動復(fù)合材料的研究開發(fā)與應(yīng) 用。3.5 納米材料在解決能源中的應(yīng)用合理利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)新資源時一項長期和重要的任務(wù)。近年來開發(fā)的可用于 煤和油料燃燒的納米凈化劑、助燃劑以及利用納米技術(shù)提取粉煤灰中的有用

11、物質(zhì) 的工作都已獲得初步結(jié)果并可望盡快得到產(chǎn)業(yè)化。在納米半導(dǎo)體材料表面負載貴 金屬或在半導(dǎo)體表面修飾燃料、導(dǎo)電聚合物等，能使光分解水的效率成倍增加， 將對太陽能的光化學(xué)存儲起巨大的推動作用。利用半導(dǎo)體納米材料制備光電轉(zhuǎn)化 效率極高的即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池取得重大進展。Gratzel等人用覆蓋有染料薄膜的半導(dǎo)體納米二氧化鈦多孔膜作為太陽能電池的工作電 極，由染料承擔(dān)吸收光和給出電荷的作用，半導(dǎo)體納米多孔膜承擔(dān)支撐染料、接 受激發(fā)態(tài)染料給出的電荷和傳導(dǎo)電荷的作用，可大大提高光電轉(zhuǎn)化效率和穩(wěn)定 性，應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化前景較好。除上述應(yīng)用以外，納米材料在印刷油墨、電子漿料、傳感器、生物、醫(yī)學(xué)和人工 智能等方面都現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景并得到了一定應(yīng)用。例如，利用納米粒子的顏 色可隨粒徑不同而改變、粒徑越小顏色越深的性質(zhì)，通過選擇粒度適當且粒徑均 勻的無毒性的納米粒子制備各種顏色的印刷油墨，以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由化學(xué)顏料配置 的油墨，對改善印刷操作條件，防止油墨對人體的