纳米材料的应用与制备方法综述.doc

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1、纳米材料的应用与制备方法综述摘要:由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的应用及制备方法进行了综述,并对其发展前景进行了展望。关键词:纳米材料;应用;制备方法0前言 纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识白然的新层次,是知识创新的亮点。在纳米领域发现新现象,提出新概念,认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础。材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应,日:小尺寸效应、量了尺寸效应和宏观量了隧道效应等久因而出现常规材料所没有的一些特别性能,从而使纳米材料己获得和

2、正在获得广泛的应用!美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”,欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术;英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破口;我国的自然科学基金、“863”项目、“973”项目、“攀登计划”以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目.纳米材料必将成为“21世纪最有前途的材料”,纳米科学技术的发展必将对生产力的发展产生深远的影响,并有可能从根本上解决人类面临的一系列如粮食、健康、能源及环保等重大问题。目前,纳米材料的研究主要包括: (1)纳米材料结构的研究以及纳米材料性能的分析、测试

3、及表征; (2)纳米材料的合理制备; ( 3)纳米晶结构材料及纳米微粒大小的可控性研究;(4)纳米材料的工业化生产及实际应用.其中纳米材料的制备在当前纳米材料科学的研究中占有极其重要的地位,新的制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响.1应用 纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。1.1在催化方面的应用 纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和

4、电子态与颗粒内部不同等特点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出,随着纳米粒子的粒径的减小,微粒表面的光滑程度变差,凹凸不平的原子台阶逐步形成,能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性,可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度。1.2在生物医学方面的应用 (1)生物学中。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为520nm的聚合

5、物后,可以固定大量蛋白质,特别是酶,从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。 (2)医学中。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗,是健康医学的要求。将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米2微粒进行了细胞分离;用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用。由于纳米材料比红血球(69)小得多,可以在血液中自由运动,因此可以注人各种对机体无害的纳米粒子到人体的各个部位,检查病变和进行治疗

6、(如纳米)。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙被细胞吸收、并可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射等多种给药途径等许多优点,因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。1.3在环保方面的应用 纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。 (1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解决这一问题。纳米材料在环保中的应用主要与纳

7、米粒子的化学催化和光催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段。利用纳米TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻璃表面涂覆纳米TiO2可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。它的出现使玻璃具有了自纳米净水剂的超强吸附和絮凝能力将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,然后使水通过由纳米磁性物质、纤维和活性炭组成的净化装置,除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物,再使水通过由纳米孔径的水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装成的过滤装置,可以将水中的细菌、病毒几乎100%去除,得到完全可以

8、饮用的高质量纯净水. (2)在大气污染的治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题。纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源。纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂,经它催化的石油中硫的含量达到国际标准。煤燃烧也会产生二氧化硫气体,如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂,不仅可以使煤充分燃烧,而且会使硫转化成固体的硫化物,而不产生二氧化硫气体。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房间的

9、空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,目前已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有些是致癌物。研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%。 (3)城市固体垃圾处理方面的应用将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个方面:一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物,成为再生原料回收;另一方面,可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。1.4在工程材料中的应用 (1)纳米陶瓷材料。普通的陶瓷材料都是通过高温高压使各种颗粒融合在一起

10、制成的,纳米材料因粒径小、熔点低以及相变温度低等特征,添加纳米颗粒使常规陶瓷的综合性能得到改善。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性均有显著提高。故在低温低压下就可作为原料制备质地致密、性能优异的纳米陶瓷,它具有坚硬、耐磨、耐高温及耐腐蚀的性能。比如把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合,已获得高韧性的陶瓷材料,烧结温度可降低100。此外,纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应等,都将成为材料开拓应用的一个崭新领域。 纳米粉体也可使陶瓷改性,因为纳米颗粒表面积大,扩散速度快,因而烧结时致密化速度快,烧结温度低。在粗晶粉体中加入纳米Al2O3可提高Al2O3的

11、致密度和耐热疲劳性;把Al2O3与ZrO纳米粉混合后,可得到高韧性的陶瓷材料,并使烧结温度降低100 ;再如,美国Argonne实验室Siegel等人用惰性气体蒸发,原位加压制备了纳米TiO2陶瓷,致密度达到95%。在同样的烧结温度下,纳米陶瓷的硬度比普通陶瓷高,而对应相同的硬度,纳米陶瓷的烧结温度可降低几百摄氏度。 (2)高熔点材料的烧结。纳米材料的体积效应使得通常在高温烧结的材料,如SiC、WC和BC等,在较低温度下就可获得高密度的烧结体。此外,由于纳米微粒的粒径小,比表面大具有烧结温度低、流动性好、扩散速率高以及烧结收缩大等特性,使其又可作为烧结过程的活化剂使用,可降低烧结温度、缩短烧结

12、时间和加快致密化的速度,从而加速烧结过程。从应用的角度,发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本。在制备粉体的工艺上,除了保证纳米粉体的质量,做到尺寸和分布可控,无团聚,能控制颗粒的形状,还要求生产量大,这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。 (3)纳米荧光材料。21世纪是生命与信息科学的世纪,而生物芯片无疑是这一世纪迅速发展最热点的前沿领域之一。生物芯片是在多种固定化载体上刻蚀具有多种性能的生物反应器。大多数特异性生物芯片都要使用标记物。目前使用最多的是发光标记物,其中纳米粒子发光标记物具有更高的量子产率,更长的发光寿命,而且性能稳定。在标记生物大分子,生物芯片研究中纳米发光材料的使用

13、已取得了显著成效。同时,免疫标记技术与传统的酶标和荧光技术相比,不仅有极高的灵敏度而且该标记技术简单,光谱信息丰富,在免疫分析中有广阔的应用前景。 (4) 高密度磁记录材料。磁记录是信息储存与处理的重要手段,随着信息化的高速发展,要求记录密度日益提高。磁性纳米材料因具有单磁畴结构,矫顽力很高,故用它作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。高矫顽力的强磁性纳米材料还可以制成磁性信用卡、磁性票证及磁性钥匙等。 (5) 永磁性材料。由于纳米材料的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此可用作永磁性材料。 (6) 磁流体。磁流体是将强磁性纳米粒子稳定地分散于水或油等分散介质中所形成

14、的分散体系,它在通常的重力场和磁场作用下不发生凝聚和沉降。磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,在工业废液处理方面有1.5在建筑领域的应用 (1) 建筑塑料。纳米塑料是指金属、非金属和有机填充物,以纳米尺寸分散于树脂基体中形成的树脂基纳米复合材料。在树脂基纳米复合材料中,分散相的尺寸至少在一维方向上小于100nm。由于分散相的纳米尺寸效应、大的比表面积和强界面结合,使纳米塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能。 (2) 建筑涂料。随着建筑业的高速发展,对建筑涂料的性能要求也越来越高,而纳米材料对涂料的很多性能起到了明显的改善作用。 (3) 树脂基复合材料。树脂基复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀

15、等优点,但硬度、耐磨性能、耐热性能较差。通过超声分散方法将纳米SiO2添加到不饱和聚酯树脂中制得的复合材料,可大幅提高耐磨性、硬度、强度、耐热和耐水性能。1.6在涂料方面的应用 纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。在涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防护能力,实现防紫外线辐射、耐大气侵害和抗降解、变色等,在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。已有美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钛、三氧化二铬等与树脂复合,作为静电屏蔽的涂层;在标牌上使用纳米材料涂层,可利用其光学特性,达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品中,如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料,可以达到减少光的透射和热传递效果,产生隔热

16、、阻燃等效果。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料,加入涂料中,可使抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景,将为涂层技术带来一场新的技术革命,也将推动复合材料的研究开发与应用。1.7在光电领域的应用纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提高10倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。纳米材料由于具有特殊的光学性能,可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料等。如用纳米微粒制成的光纤材料可以降低

17、光导纤维的传输损耗;红外线反射膜和多层膜材料可用于节能方面;优异的光吸收可提高使用寿命、防止塑料老化、止油漆脱落等。 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理信息的能力,实现信息采集和处理能力的革命性突破,纳米电子学将成为下世一定的实用价值。纪信息时代的核心。1.8在静电屏蔽方面的应用 具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性,因而能起到良好的静电屏蔽作用。同时纳米微粒的颜色不同,这样还可以控制静电屏蔽涂料的颜色。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。化纤衣服和化纤地毯由于静电效应,容易吸附灰尘

18、,危害人体健康。在其中加入少量金属纳米微粒,就会使静电效应大大降低,同时还有除味杀菌的作用。1.9在焊接领域的应用 纳米材料还可用作新型焊接材料。我们知道很多陶瓷部件是在高温环境下使用的,目前所采用的几种陶瓷焊接工艺根本无法保证其高温强度。若采用纳米陶瓷进行焊接,利用其低温烧结及快速扩散等特点,可以将两个陶瓷部件很好地连为一体。而且若选择的纳米陶瓷与所焊部件成分相同或相近,则可有效地保证其高温强度。纳米金属粉末也同样可以应用于机械制造、仪器仪表、微电子工业等技术领域中对部件进行整体焊接。由于纳米微粒熔点很低,可有效地降低焊接温度,保证部件在焊接过程中不发生变形。1.10在解决能源中的应用 合理

19、利用传统能源和开发新能源是一项长期和重要的任务。近年来开发的可用于煤和油料燃烧的纳米净化剂、助燃剂以及利用纳米技术提取粉煤灰中的有用物质的工作都已获得初步结果,并可望尽快得到产业化。在纳米半导体材料表面负载贵金属、金属氧化物或在半导体表面修饰染料、导电高聚物等能使光分解水(22+2)的效率成倍增加,将对太阳能的光化学存贮起巨大的推动作用。利用半导体纳米材料制备光电转化效率极高,即使在阴雨天也能正常工作,使新型太阳能电池取得重大进展。大量研究表明,除了纳米晶TiO2光伏电池外,其它如ZnO、Ag2O、SnO2、WO3、Fe3O3等单一氧化物和CdSe等单一硒化物纳米晶光伏电池也表现出非常出色的光

20、电转换特征。1.11在文物保护方面的应用我国的一些文物(如秦兵马俑)遭受霉菌侵扰而受到损害,最新的纳米成果将对其加以保护,使其永葆青春。西北大学纳米材料研究所利用溶胶与凝胶相结合的方法把新研制成的纳米材料制成一种透明的胶体,涂在文物表面后可形成一种“无机膜”,使文物完全与外界条件隔绝,有利于文物的长期保护。这种纳米材料可以吸收紫外线,保护文物的颜色不变,材质不腐坏,还可有效地排除虫菌对文物的侵蚀。这种纳米“无机膜”除了对陶质文物可进行有效护外,还可用于丝绸和书画等文物的保护.2制备方法从Leiter等(1951)首次应用惰性气体凝聚(IGC)结合原位冷压成型法(In-Situ Com-Pact

21、ion)在实验室制备出纳米晶体样品以来,又提出和发展了机械研磨法,非晶态晶化法,电沉积法等许多种制备方法。 纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的位置,新的材料制备工艺和过程的研究对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。制备出清洁、成分可控、高密度(不含微孔隙)的粒度均匀的纳米材料是制备合成工艺研究的目标。因此,如何控制及减少纳米材料尤其是界面的化学成分及均匀性、以及如何控制晶粒尺寸分布是制备工艺研究的主要题。对纳米材料的制备方法目前主要有三种分类方法。第一种是根据制备原料状态分为固体法、液体法及气体法。第二种按反应物状态分干法和湿法。第三种为物理法和化学法两大类。其中物理法包括惰

22、性气体蒸发法、爆炸法、严重塑性变形法、激光束法、机械合金化法等;化学法包括气相燃烧合成法、溶胶-凝胶法、有机液相合成法等。2.1物理法 (1) 惰性气体蒸发法。目前,大部分金属纳米粒子都是通过惰性气体蒸发法制得的,该法的主要过程是在真空蒸发室内充入惰性气体,然后对蒸发源进行真空加热、蒸发,使原料气化或形成等离子体,原料气体与惰性气体原子碰撞失去能量而骤冷成纳米尺寸的团簇。该法制备的纳米材料纯度主要是由原料纯度、真空度、气体浓度和纯度决定的,工艺过程中,无外来污染,反应速度快,结晶较好,不足之处是对设备要求高,投入较大。 (2) 爆炸法。将高能炸药(TNT)置于密闭压力容器内,将容器抽成真空,再

23、充入保护性气体。炸药爆轰发生分解反应生成游离碳,在爆轰产物高温和高压作用下发生碳原子的聚集、晶化等一系列变化,合成纳米级粉体,然后再酸洗提纯就可得到纳米级金刚石粉。该法可大量制备米晶粒,粒度在2122之间,纯度可达91%左右。 (3) 严重塑性变形法。严重塑性变形法是指在静压力的作用下,使块状材料发生严重的形变,最终细化到纳米尺度,得到晶态材料和非晶态材料的混合物,再经过一定的热处理,从而得到纳米材料。该法制备的纳米材料纯度高,粒度可控性好。2.2化学法 (1) 气相燃烧合成法。气相燃烧合成是指在气体燃烧火焰中形成纳米颗粒。该法不仅可以合成氧化物纳米颗粒,而且通过气体的无氧燃烧,可以合成金属氮

24、化物、碳化物等非氧化物纳米颗粒,气相燃烧合成已应用于批量生产纳米石墨、超细氧化钛涂料。合成的纳米颗粒粒度细,粒子团聚少,粒度分布窄,产物纯度高。 (2) 溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法制备纳米材料的主要步骤是先制备金属化合物,然后金属化合物溶解在适当的溶剂中,经过溶胶、凝胶过程而固化,再经低温热处理得到纳米粒子,与其他方法比。该法具有反应物种多、各组分混合均匀性好、合成温度低、过程易控制等优点,广泛应用于制备陶瓷纳米颗粒和氧化物纳米颗粒。该法的不足之处是必须进行后处理才能得到纳米颗粒,而且纳米颗粒容易发生团聚。 (3) 有机液相合成法。有机液相合成法主要用在有机溶剂中,能够稳定存在的金属有机化合物

25、和某些无机物成为反应原料,在适当的反应条件下生成纳米材料。该法的显著优点是克服了某些反应物在水溶液中不能稳定存在的缺点,可以在许多介质中制备纳米材料,反应产物可以通过精馏或结晶达到很高纯度。有机液相合成法的缺点是反应时间过长,产物须进行后处理才能得到结晶较好的纳米颗粒。2.3其它方法 报导的方法尚有相转移法、配位沉淀法、气相蒸发法、热解法、气相反应法、微波等离子体化学气相沉积法、机械化学法等制备方法。3前景纳米材料的研究,它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次,即进入到原子、分子的纳米层次。纳米技术的核心是按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团,制造具有特定功能的产品。由于纳米颗

26、粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分,是有利的作用,还是不利的作用更难以判断,这不但给某一现象的解释带来困难,同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响,这都是控制工程研究亟待解决的问题。在纳米材料的研究中,目前主要的工作有:一是用纳米材料替代传统材料改善产品品质与性能;另一方面是开发新材料。4结语综上所述,纳米材料所展示的诱人前景还远不及此。随着人们对纳米材料认识的深人,相信还会有更多方面的发展和应用,因此系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的实际

27、意义。随着人们对纳米材料研究的深入,纳米材料必将出现更为广阔的应用前景,纳米材料的大规模工业生产和商业应用也将成为现实。纳米材料作为一门新兴科学必将对人类生活产生深远的影响,并将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。参考文献1张立德.纳米材料研究的新进展及在2 1世纪的战略地位.中国粉体术,2000,6(1):1-5.2魏方芳.纳米材料的研究及应用.化学工程与装备,2007,(3):38-40.3郭永,巩雄,杨宏秀.纳米微粒的制备方法及其进展.化学通报,1996,3:1-4.4周双生,周根陶.纳米材料的制备及应用概况.化学世界,19

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