納米粒子的化學(xué)制備方法及應(yīng)用分析

樂建華+李甘

摘 要：當(dāng)粒子的尺寸為納米量級(jí)時(shí)，粒子會(huì)具備一些奇特的功能，如宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等，因此會(huì)表現(xiàn)出許多的特性，在新材料、磁介質(zhì)、醫(yī)學(xué)、濾光、光吸收和催化等方面的應(yīng)用前景都十分廣闊。通常納米粒子從學(xué)科的角度來(lái)劃分，可分為物理化學(xué)方法、化學(xué)方法和物理方法等。本文就會(huì)納米粒子的化學(xué)制備方法及應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：納米粒子；化學(xué)制備方法；應(yīng)用

大氣、各種微粒子粉塵、煙塵等各類塵埃物中都存在著大量的納米粒子，但是自然界中存在的納米粒子大多屬于有害污染物，無(wú)法對(duì)其進(jìn)行直接利用。隨著社會(huì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，通過(guò)人工制備的手段來(lái)利用各類有益的納米粒子已經(jīng)成為重要研究方向。由于納米粒子具有奇特的化學(xué)性能、熱學(xué)性能、磁學(xué)性能、電學(xué)性能以及力學(xué)性能等，目前被世界各國(guó)的科學(xué)人員所關(guān)注與高度重視。

一、納米粒子的化學(xué)制備方法及應(yīng)用

（一）氣相化學(xué)反應(yīng)法及應(yīng)用

利用氣相化學(xué)反應(yīng)法來(lái)制備超微粒子，其具有活性與化學(xué)反應(yīng)高、分散性好、粒徑小、純度高、粒子均勻等特點(diǎn)，適用于非金屬化合物、金屬化合物以及各類金屬納米粒子的制備。該方法包括氣固反應(yīng)法、氣相合成法、氣相分解法，其中對(duì)于氣相合成法而言，其主要是指在高溫條件下，借助多種物質(zhì)之間的氣相化學(xué)反應(yīng)，有效合成相應(yīng)的化合物；然后通過(guò)快速冷凝來(lái)制備出納米粒子，具有互換性與靈活性。利用激光誘導(dǎo)氣相法進(jìn)行納米粒子的合成時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)原料問題，C2H4、SiH4等會(huì)吸收激光光子，其反應(yīng)式為：2SiCI4（g）+C2H4（g）→2SiC（s）+6H2（g），3SiH4（g）+4NH3（g）→Si3H4（s）+12H2（g），其中得到的SiC（s）和Si3H4（s）都是納米粒子。值得注意的是，氣相合成法制備納米材料時(shí)，關(guān)鍵需要促進(jìn)沉積速度的提升，以傳統(tǒng)真空蒸發(fā)為依據(jù)，利用激光和超聲波等加熱手段進(jìn)行制備，這樣納米材料會(huì)具有很好的分散性與透明性，但是具有成本高與產(chǎn)量小的缺點(diǎn)。

另外，氣相分解法是對(duì)中間化合物進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)加熱、蒸發(fā)和分解等來(lái)獲得納米粒子；而氣相熱分解的原料多是采用金屬氯化物與有機(jī)硅等，如Si（OH）4、Fe（CO）5等。氣相分解法在制備納米薄膜材料方面的使用最多，如復(fù)合氧化物、硼化物、碳化物和金屬氧化物等功能與結(jié)構(gòu)材料的制備，并且廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能利用、光學(xué)材料、表面裝飾、熱電材料和氣體傳感器等領(lǐng)域。

（二）濕化學(xué)法及應(yīng)用

1.水熱合成法

該方法多是在高氣壓或100～350℃的環(huán)境下，讓有機(jī)化合物或無(wú)機(jī)化合物與水進(jìn)行化合，然后控制物理過(guò)程與加速滲析反應(yīng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行過(guò)濾、干燥與洗滌等，從而得到超細(xì)與高純的微粒子。一般可在不同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下采用水熱合成法：①密閉動(dòng)態(tài)：將加磁性轉(zhuǎn)子置于高壓釜內(nèi)，密閉后將其放在電磁攪拌器上，動(dòng)態(tài)環(huán)境下保溫會(huì)加快合成的速率；②密閉靜態(tài)：在高壓反應(yīng)釜內(nèi)放置沉淀物或金屬鹽溶液，密閉之后加恒溫，靜止情況下長(zhǎng)期保溫。當(dāng)前此方法在高壓高溫的水中溶解其他金屬或鋯鹽，會(huì)得到高質(zhì)量的磁性氧化鐵、氧化鋁、氧化鋯納密粒子。

2.水解沉淀法

利用水解來(lái)使化合物生產(chǎn)相應(yīng)的沉淀物，基本是利用水合物與氫氧化物，選用各類無(wú)機(jī)鹽作為水溶液的原料，以此來(lái)制備超微粒子。以無(wú)機(jī)鹽為依據(jù)來(lái)配制水合物，對(duì)其水解條件進(jìn)行控制，合成單分散性的立方體或球狀的納米粒子，如水解三價(jià)鐵鹽溶液，獲得a—Fe2O3納米粒子等。此外，金屬醇鹽與水進(jìn)行反應(yīng)，可以生產(chǎn)水合物、氫氧化物和氧化物的沉淀，因此可以多種醇鹽為基礎(chǔ)，利用干燥、沉淀和水解等手段來(lái)制備氧化物陶瓷納米粒子。

3.共沉淀法

該方法主要是在溶液中混合各種陰離子，當(dāng)特定的陽(yáng)離子加以沉淀時(shí)，溶液中的其他離子也會(huì)陳定，從而達(dá)到原子級(jí)的混合。溶液中的pH值主要包括草酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽和氫氧化物等，這些物質(zhì)構(gòu)成沉淀溶液時(shí)，其調(diào)節(jié)范圍相對(duì)靈活，金屬離子會(huì)隨pH值的升高而依次沉淀，形成混合沉淀物[3]。由于沉淀屬于分別發(fā)生，要想避免共沉淀方法出現(xiàn)分別沉淀的傾向，可以適當(dāng)使沉淀劑濃度加以提高，然后導(dǎo)入金屬溶液，攪拌溶液，確保溶液中金屬離子全都符合沉淀的條件，保證沉淀的均勻性。當(dāng)然沉淀物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物化合物時(shí)，往往需要進(jìn)行加熱反應(yīng)，這樣無(wú)法有效控制其構(gòu)成的均勻性。

二、納米粒子的應(yīng)用領(lǐng)域

由于納米粒子具有的宏觀量子催化效應(yīng)與隧道效應(yīng)、量子效應(yīng)、界面與表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)，因此其在增強(qiáng)增韌性能、潤(rùn)滑性能、儲(chǔ)氫性能、磁性能、光學(xué)性能和催化性能等方面具有特殊的功能，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通常納米粒子在生物醫(yī)學(xué)材料、增韌補(bǔ)強(qiáng)材料、隱身材料、光學(xué)材料、磁性材料、納米電子器件、催化劑。

（1）光學(xué)隱身材料方面：激光隱身、紅外隱身、微波隱身、光隱身等納米光學(xué)隱身材料。

（2）半導(dǎo)體方面：納米光敏材料、納米氣敏材料、納米濕敏材料、納米壓敏材料、納米溫敏材料等。

（3）生物材料方面：納米復(fù)合骨替代材料、納米復(fù)合牙齒替代材料等。

（4）磁性材料方面：納米磁制冷工質(zhì)材料、納米微晶稀土永磁材料、納米微晶軟磁材料、納米磁記錄材料、納米巨磁電阻材料等。

（5）增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料方面：納米焊接技術(shù)、納米顆粒助燒結(jié)材料、纖維增強(qiáng)材料、納米晶須、納米顆粒增強(qiáng)材料等。

三、結(jié)束語(yǔ)

納米材料和納米技術(shù)是當(dāng)前最具發(fā)展前景的材料，已經(jīng)成為材料領(lǐng)域的重要研究問題。通常納米粒子作為功能材料，可應(yīng)用于生物學(xué)、聲學(xué)和光學(xué)等，而其作為結(jié)構(gòu)材料，則可制備三維納米碳管、二維納米薄膜、一維鈉米晶須等。目前在社會(huì)快速發(fā)展的背景下，多是通過(guò)人工制備的手段來(lái)直接制備有益的各類納米歷史，而實(shí)際上人工制備所需的納米粒子十分困難。

參考文獻(xiàn)：

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