溶液溶胶法制备纳米材料综述毕业论文

溶液溶胶法制备纳米材料综述
摘要：本文前言首先介绍了纳米材料的定义，分类，结构和主要性能。

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米复合材料等五类。

正文接着介绍了纳米材料的制备方法。

纳米材料的制备目前有3种分类方法。

第1种是根据制备原料状态分为固相法、液相法及气相法。

第2 种按反应物状态分为干法和湿法。

第3 种分为物理法、化学法和综合法。

本文采用第3 种分类方法介绍纳米材料的制备,重点介绍物理法和化学法。

最后向大家展示了溶液溶胶法制备常见的纳米材料，文章的最后又就纳米材料的发展前景做了简单的介绍。

关键词：纳米材料；纳米纤维；气相沉积法；溶液溶胶法
Preparation of sol solution synthesis of nano materials
Abstract：Nano-structural materials referred to as nano-materials (nano material),itsstructure is the cell size between 1 nanometer to 100 nanometer range. Because it is close to the size of the coherence length of electron, it is because of the nature of coherence brought about by strong self-organizing nature of the great changes made. In addition, its scale is close to the wavelength of light, coupled with its large surface of the special effects, so their performance characteristics, such as melting point, magnetic, optical, thermal conductivity, electrical properties, etc., are often different from the material in the overall state the nature of the performance. This article first introduced the definition of nano-materials, classification, structure and performance. Nano-materials can be broadly divided into nano-powders,
nano-fibers, nano-films, nano-blocks and five types of nanocomposite materials. Then presented the preparation of nano-materials. Preparation of nano-materials there are three kinds of classification methods. No. 1 kinds of raw materials is based on the
state of the preparation is divided into solid-phase method, liquid and gas law. The first two kinds of state by the reaction is divided into dry and wet. Section is divided into three kinds of physical, chemical and synthetic method. In this paper, the first to introduce three kinds of classification of nano-materials preparation, focusing on physical and chemical methods. Finally, we show the solution to the sol prepared nanomaterials common, the last article on the prospects for the development of
nano-materials have done a brief.
Key words：Nano-materials; nano-fiber; vapor deposition; solution sol method 前言
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。

纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。

纳米材料一般可以分为纳米粉末纳米纤维，纳米膜，纳米块体和纳米复合材料。

通常纳米粉尘主要用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。

而纳米纤维和纳米膜分别可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料和气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。

溶液溶胶法制备常见的纳米材料
纳米材料的制备目前有 3 种分类方法。

第1种是根据制备原料状态分为
固相法、液相法及气相法。

第2 种按反应物状态分为干法和湿法。

第 3 种分为物理法、化学法和综合法。

本文采用第 3 种分类方法介绍纳米材料的制备, 物理法即采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛环境下蒸发或利用机械力研磨，然后使原子或分子结合形成纳米颗粒。

此法通常对设备的要求很高，且消耗大量的能源。

气体冷凝法溅射法高能球磨法，重点介绍化学法（主要包括气相沉积法，沉淀法，水热合成法，溶胶凝胶法，微乳液法法）中的溶液溶胶法。

溶胶-凝胶法指金属醇盐或无机盐水解成溶胶，然后使溶胶凝胶化，再将凝胶干燥煅烧后得到纳米粉体。

溶胶-凝胶法反应具有条件温和、产品成分均匀、纯度较高、粒径分布较窄等特点，尤其可以制备传统方法所不能或难制备的产物，而且反应物种多，过程易控制，适于氧化物和过渡金属族化合物的制备。

采用溶胶-凝胶法不仅可制备纳米颗粒，还可制备纳米薄膜和块体。

但是也存在一些缺点，如原料成本较贵；制备周期较长；烧结性差，干燥收缩性大等。

Vafaee等以三羟乙基胺为表面活性剂，采用溶胶-凝胶法合成了粒径为3-4nm的球形ZnO，与其他方法制得的纳米ZnO相比，具有更好的光致发光现象。

Mondelaers等在醋酸盐-柠檬酸盐的溶胶中合成了纳米ZnO，具有窄分布的特点。

Tang等在300oC 以溶胶-凝胶方法合成了具有纳米结构的磁性Fe3O4薄膜，且薄膜表面均一无裂缝，所加磁场为0-1.9T时，表现出磁光效应。

Xu等利用溶胶-凝胶法在真空退火的条件下合成磁性Fe3O4纳米粒子，磁性粒子的大小、饱和磁化强度以及矫顽力都随着合成温度的增加而增大，而且Fe3O4粒子的相态随着不同的反应温度和气氛而变化。

据报导其他物理制备方法还有深度塑性变形法、物理气相沉积技和综合法，综合法就是其制备过程不是单纯的物理方法，又不是单纯的化学方法。

该种方法往往对设备要求高，操作费用高，不宜于工业化生产，制备纳米材料很少使用。

1. 溶液溶胶法制备钛酸铅（PbTiO3，PT）粉体
钛酸铅（PbTiO3，PT）是典型的钙钛矿型氧化物，其居里点高（763K），相对介电常数小（200），热释电常数大（6），横向与纵向机电藕合系数之间有很大的各向异性（0．49），［１－４］是制作高频滤波器、红外探测器、超声波换能器的优良材料，［5］因而受到人们的广泛关注。

但由于钛酸铅陶瓷的晶界能高，四方矫顽场大，居里点以下为四方铁电相，居里点以上为立方顺电相，晶格结构
各向异性大（c ／a＝1．064），［6］使纯钛酸铅陶瓷材料在退火过程中经过居里点时容易产生微裂纹，因此它的研制很困难。

随着纳米技术的发展，人们发现通过进一步细化粉体使之达到纳米尺寸，可以有效地降低烧结温度，提高超塑性和强度，使陶瓷致密化，这使钛酸铅纳米材料的研究引起了人们的重视。

本文综述了钛酸铅纳米材料的制备方法，并展望了其研究背景。

目前制备PT 纳米粉体的方法主要有水热合成法、溶胶—凝胶法、自燃烧法等。

溶胶—凝胶法是目前制备PT 电子陶瓷较常用的液相法之一，它始创于1846 年，20 世纪30 年代曾取得进一步的发展，但直到1971 年德国学者H．Dislich 利用溶胶－凝胶法成功地制备出多组分玻璃之后它才引起科学界的广泛关注，并得到迅速发展。

溶胶－凝胶法的基本原理比较简单［7］：将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）溶解在某种溶剂中并使之与水发生反应而逐渐凝胶化。

影响溶胶—凝胶过程的因素很多，主要包括加水量、催化剂、溶胶浓度、反应温度和络合剂等。

预烧过程的影响因素主要有：温度、时间、升温速度和锻烧方式。

邓煜［8］等人以钛酸丁酯、醋酸铅为原料，以乙酸、乙醇的混合溶剂，加氨水生成凝胶。

强亮生［9］等人以脱水醋酸铅、钛酸四丁酯为原料，甲醇为溶剂，制成前体溶胶后剧烈搅拌下滴加一定浓度的甲醇水溶液，直到溶胶粘度明显增大时停止滴加，并在搅拌下制成凝胶。

PT 纳米晶制备过程中，在400～800℃的温度范围内，焙烧温越高，结晶越好(如下图)，且随着温度的升高，晶粒逐渐长大，且四方相趋势增大，c 轴方向原子的活动余地增大，各向异性增大，压电效应更突出。

当今PbTiO3纳米科技领域发展的三个重要趋势，即PbTiO3纳米材料的合成、纳米结构的物化性质表征、纳米器件的构筑和功能评估。

纳米材料的合成、表征设计与制备：目前纳米材料的合成研究已经不仅局限于零维或一维结构的控制合成，实现这些结构单元的周期性组装，并进一步服务于器件化研究，已经成为该领域所面临的巨大挑战。

PbTiO3纳米结构的物化性质表征、组装与功能：以纳米结构为模型，进行一些光、电、磁性质研究，不仅可以丰富少量原子聚集体的理论研究，同样也是为构筑纳米器件提供基础理论依据，筛选适合的结构单元。

纳米器件的构筑和功能评估，纳米器件与纳米技术的应用：以低维纳米结构为基本单元，可以获得一些简单的纳米器件，探索这些器件的光、电性能，是利用纳
米技术实现器件小型化的重要基础研究。

2. 溶液溶胶法制备纳米WO3薄膜
纳米WO3 薄膜是一种典型的功能性纳米材料，在电致变色、气敏性、共催化及光致变色等方面有着广阔的应用前景。

目前溶胶- 凝胶法制备WO3 薄膜大致有：钨酸盐酸化法、钨粉过氧化聚钨酸法、钨酸盐的离子交换法、钨的醇盐水解法、氯化钨的醇化法等几种类型。

杨修文[10]等采用多步溶胶- 凝胶技术结合浸渍镀膜方法制备出WO3 薄膜。

具体方法为：将过氧化氢滴入金属钨粉中进行反应，加入适量的无水乙醇、冰乙酸，搅拌均匀后可制得溶胶，采用浸渍提拉法在基片表面形成WO3 薄膜。

将部分在450℃下热处理过的WO3 薄膜再次置于制备好的溶胶中进行再镀膜，并在220℃的条件下热处理1h并将单层膜与多层膜进行比较。

研究表明：多步法制备的WO3 薄膜不仅保持了良好的电致变色性能，而且增强了薄膜的稳定性。

高玲[11]等采用溶胶- 凝胶- 热解工艺，PEG2400 为结构导向模板剂，合成出介孔WO3 薄膜。

由于介孔结构的WO3 薄膜较之一般晶体WO3 薄膜其表面更为疏松多孔，非常有利于离子的注入与抽出，同时具有较大的比表面积，拥有更多的纳米微晶界，离子吸附能力更强，可以提供更多的电化学活性点，促进了电解质溶液中阳离子在薄膜电极的注入与抽出，从而体现出更好的电致变色
性能。

溶胶- 凝胶法制备材料具有工艺简单、成本较低、低温合成、化学均匀性好、材料形状多样等特点。

而且搅拌时间、热处理温度等工艺参数可控，适合大面积薄膜的制备及生产。

目前，对纳米WO3 薄膜电致变色性质的研究已较成熟，所以研发更多种类、性能更优良的电致变色器件并使之产业化将是现阶段及将来研究的主要方向。

WO3 被认为是很好的气体敏感材料，这是因为它具有稳定的化学特性和较高的氧空位扩散系数。

对纳米WO3 薄膜的氢气敏感性的研究是一项重要课题。

此外，WO3 对H2S、SOx 和NOx 等气体也具有较好的敏感特性和选择性，纳米WO3 薄膜在气体敏感器件上的应用将有很好的前景。

然而短期内的研究将维持在实验阶段，要想投入生产还面临着许多难题。

光催化降解有机污染物是环境科学研究的新兴领域。

利用纳米WO3 薄膜的共催化性进行光降解可在室温下直接利用太阳能降解多种有机污染物，而且无二次污染，是一种理想的污染治理技术。

然而这方面的研究还不多不够深入，要将其应用于环境的治理还有待人们作进一步的研究。

光电致变色器件制成的“灵巧智能窗”是通过智能调控进入室内的太阳光，从而达到节能的目的，而且又具有美观多样的变色效果，将成为未来建筑中重要的装饰节能材料。

纳米WO3 薄膜材料在信息显示装置、高密度存储。

3. 溶液溶胶法制备尖晶石型MeFe 2 O4 纤维
尖晶石铁氧体材料由于电阻率高、损耗小、介电性能和高频特性好，被广泛应用于电子、军事等领域[ 12 ] 。

近年来,人们对多晶铁纤维等磁性金属纤维进行了大量的研究，已取得较好效果[ 13] 。

而对于尖晶石型铁氧体材料的研究，目前主要中在纳米粉体的合成、性能及应用方面[ 14 - 15] ，有关其纤维方面的研究报道还比较少。

Gong[ 7 ]等利用溶胶- 凝胶法制备了中空Zn铁氧体纤维，纤维直径1～4μm，壁厚小于1μm,但未对其磁性能进行研究。

有机凝胶法制备尖晶石型MeFe2O4 (Me = Co,Ni, Zn)铁氧体凝胶纤维的工艺流程如图1所示。

以分析纯的柠檬酸[ CA, C6H8O7 ·H2O ]、硝酸锌[ Zn (NO3 ) 2 ·6H2O ]、硝酸铁[ Fe (NO3 ) 3 ·9H2O ]、碱式碳酸镍[NiCO3 ·3Ni (OH) 2 ·4H2O ]和硝酸钴
[Co (NO3 ) 2 ·6H2O ]为主要原料,按照各组分所对应的制备参数及条件（见表1）将柠檬酸(CA)与金属盐以一定摩尔比混合溶解在去离子水中，用氨水调节溶液
pH值至指定值，在室温下磁力搅拌反应20～24 h后置于旋转蒸发器中，于60～80 ℃真空脱水得到一定粘度的凝胶.。

具有可纺性的凝胶经自制纺丝器制得纤维素丝，
然后将纤维素丝置于坩埚内于70～80 ℃下烘干得到纤维前驱体。

最后将纤维前驱体在空气中相应温度下热处理2 h得到目维前驱体在空气中相应温度下热处理2 h得到目标铁氧体纤维。

4 . Fe2O3/Al 纳米复合铝热剂的制备
纳米Al 粉(30～80nm，86%)，徐州宏武纳米材料有限公司；
Fe(NO3)3·9H2O(A.R.)，广东省汕头市西陇化工厂；1,2-环氧丙烷(A.R.)，上海凌峰化学试剂有限公司；无水乙醇(A.R.)，上海实意化学试剂有限公司。

Advance-D8 型X 射线衍射仪，德国Bruker 公司；S-4800 型场发射扫描电镜，日本日立公司；TA-Q600同步热分析仪(TG/DSC)，测试条件：高纯Ar 气，Al2O3坩埚，升温速率为20 ℃·min-1，取样量2～18mg。

1.2 Al/Fe2O3纳米复合铝热剂的制备为满足式（1）中零氧平衡的化学计量比，将1.1倍式（2）中比例的纳米Al 粉加0.37mol·L-1
的Fe(NO3)3·9H2O 乙醇溶液中，超声分散2min；待温度恒定后，立即2.005mL·g-1 的1,2-环氧丙烷(即每克Fe(NO3)3·9H2O 使用2.005mL 环氧丙烷)，并用数显温度计和pH 计监测反应过程温度和pH 值的变化；发生凝胶2h 后，将凝胶打成稠糊状，尽量使所有纳米Al 粉均匀分散于湿凝胶中；将混合体系老化放置6d，再于55℃真空干燥5d，取出后用玛瑙研钵磨成细粉；将该细粉放于60℃无水乙醇中慢速搅拌洗涤2h，高速离心、干燥后得到Fe2O3/Al 纳米复合铝热剂粉体。

2Al+Fe2O3 Al2O3+2Fe+3.99kJ·g-1 （1）
2Al~Fe2O3~2Fe(NO3)3·9H2O （2）
结语
纳米材料的用途很广，主要用途有：
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。

纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。

使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。

家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。

电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。

计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。

环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。

这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。

机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。

纳米材料具有很好的发展前景，对纳米材料的性质与制备的研究也必将成为人类的又一热门话题。

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