纳米材料的制备方法.docx

PAGE \* MERGEFORMAT7 纳米材料的制备方法 1 纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的晶体，非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，这大约相当于10-100个原子紧密排列在一起的尺度[1]。 纳米材料大致可分为纳米粉末（零维），纳米纤维（一维），纳米膜（二维），纳米块体（三维），纳米复合材料，纳米结构等六类。[2] 纳米材料的物理化学性质不同于微观原子、分子，也不同于宏观物体，纳米介于宏观世界与微观世界之间。纳米材料的特殊结构使得它具有特殊的力学、磁学、光学等特殊的性能。这些有益的性能让纳米材料的研究空前火热。现在，纳米材料已经广泛应用于工业和民用领域。比如纳米疏水涂料可以用来制成衣服、汽车玻璃膜等，这样衣服不会湿，汽车玻璃也不会在下雨天模糊了；再如纳米吸波材料，可以作为隐身战机的涂层，配合特殊的气动布局能使战机的雷达反射面积减小到几平方厘米。 2 纳米材料的制备方法 2.1 溶胶凝胶法 溶胶-凝胶法是以无机物或金属醇盐做前驱体，在液相将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化，胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。可在低温下制备纯度高、粒度尺寸均匀的纳米材料。 在制备过程中无需机械混合，不易掺入杂质，产品纯度高。由于在溶胶-凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，因此胶粒内及胶粒间的化学成分完全一致，化学均匀性好;颗粒细，胶粒尺寸小于0.1μm ；工艺、设备简单。 余家国等[3]用该法制备了锐钛矿型TiO2纳米粉体，甲基橙水溶液的光催化降解实验表明，TiO2纳米粉体的光催化活性明显高于普通TiO2粉体。 干燥 蒸发 水解 湿凝胶 溶胶 溶质溶剂 热处理 干凝胶 成品 图1 溶胶-凝胶法的过程图 2.2 水热合成法 水热合成法是通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质，再经分离和热处理得到纳米微粒。水热条件下离子反应和水解反应可以得到加速和促进，使一些在常温下反应速度很慢的热力学反应，在水热条件下可以实现快速反应。依据反应类型不同分为: 水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等。 该法制得的纳米粒子纯度高、分散性好、晶形好且大小可控。 2001年,李亚栋等[4]以MnSO4和(NH4)2S2O8为原料,经120℃水热处理10h,成功地合成出直径40 ～100nm、长2.5～4.0μm的β-MnO2纳米线,加入(NH4)2SO4则合成了直径5～20nm、长达5～10μm的α-MnO2纳米线。 2.3 分子束外延技术 分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中（也在腔体内）。由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的（可薄至单原子层水平）单晶体和几种物质交替的超晶格结构。分子束外延主要研究的是不同结构或不同材料的晶体和超晶格的生长。该法生长温度低，能严格控制外延层的层厚组分和掺杂浓度，但系统复杂，生长速度慢，生长面积也受到一定限制。它推动了以半导体超薄层微结构材料为基础的新一代半导体科学技术的发展。 图2 MBE GaAs-AlXGa1-x As原理图[5] 2.4 反相胶束法 反相胶束是依靠表面活性剂使水在油滴中稳定存在，液滴的直径由水的体积控制。存在少量水时，表面活性剂在有机溶剂中形成了大量的聚集体，聚集体的形状和大小与表面活性剂的类型、浓度、溶剂和水量等密切相关。一般来说，聚集体大都呈球形或椭球形。Lin SongLi 等在水溶液体系，采用反相胶束法制备了PMAO 包裹的CdS 纳米粒子，5 ×10 - 4M的PMAO 氯仿溶液40 ml 和1 ×10 - 3M 的CdCl2水溶液40 ml 混合，超声振荡5 min，室温静置半小时，发生相分离，有机相变为乳白色，水相变为无色，将有机相转到烧瓶中，向烧瓶中逐滴加入CH3CSNH2氯仿溶液，强烈搅拌4～5 h ，乳白色的反相胶束变成无色，由于CH3CSNH2逐渐水解产生H2S 气体，生成被PMAO 包裹的CdS 纳米粒子氯仿溶液。反相胶束法制备纳米粒子具有粒径小且可控，粒径分布窄且呈单分散状态等优点;但是，也存在着粒子难与溶液分离，且分离后易聚结的缺点。 2.5 机械球磨法 在众多的制备方法中,机械球磨的方法具有工艺过程简单,易于大规模生产的优点。这一方法在制备普通金属基复合材料时已得到了广泛应用,其制备工艺已十分成熟[6]。机械合金化是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞，使粉末颗粒反