金属纳米线的相关问题研究

金属纳米线的相关问题研究

0前言

纳米材料的小尺寸决定了纳米材料具有表面效应、小尺寸效应、量子效应和体积效应等一些特殊的性质。因为这些性质的存在，使得它们在光、电化学、催化反应等方面显示出传统材料所无法比拟的特性，同时，也正是由于这些特性，纳米材料正逐渐被应用到各个领域，相信其应用必将会越来越广泛。

纳米线作为纳米材料的成员之一，因其优异的光学性能、电学性能、力学性能和催化性能等特性而得到了凝聚态物理界、化学界及材料科学界科研工作者们的青睐，近年来成为纳米材料研究的热点。与此同时，纳米线的结构性能如何，以及怎样使得纳米线的性能发挥到最大，也是人们所要研究的重要内容。

很多金属对化学反应都具有催化性能，特别是过度金属。其中铂在催化反应中的应用是最广泛的，对于一些反应Pt时必不可少的。然而，由于Pt的价格昂贵，使得它的应用得到限制，很难广泛的应用于很多工业生产过程。在分子水平研究Pt的催化机理，是促进Pt的应用的唯一选择。将金属制成纳米材料就是一种既能提高Pt的催化性能又能减少Pt的用量促进Pt的广泛应用的很好的方法。研究表明，对于Pt纳米粒子，其粒子直径为2～5 nm是最佳的尺寸范围。粒子尺寸太小会使得金属变成半导体甚至绝缘体，导致能带劈裂；而当粒子尺寸太大时，金属催化反应时不能提供足够大的表面积，从而降低了金属的催化性能。最近又有研究指出，将金属制成具有高指数晶面形态的材料，可以大幅度的提高金属的催化性能。

而将二种甚至二种以上不同的金属制成合金也可以在很大程度上提高催化性能，这种“合金效应”早就被人们所知。那么，这就引发了人们对于合金纳米材料的研究兴趣，到目前为止，人们已经研究发现了很多合金纳米材料的确可以明显的改善金属的催化性能。而在这其中，单金属和合金纳米线材料就是重要的研究对象之一。

1.Ag纳米线的结构性质及其用途的研究[1]

总所周知，金属都具有很好的导热性。那么对于金属纳米材料，应该也具有很好的导热性，甚至效果更好。最近有研究报道指出，通过聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚(对苯乙烯磺酸)根阴离子(PEDOT:PSS)连接银纳米线，并将其负载在玻璃或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等基质载体上，制成的透明加热器，效果好，具有多方面的应用。

长期以来，由于透明加热器被广泛的应用于窗户的除雾、加热基质的阵列、传感器热源、热反应池、微芯片等等，人们对透明加热器一直都具有很多的关注。

透明加热器可以由具有确定的直径以及空间排列的金属线制成，但是限于金属线阵列的制备以及保证一定的透明度都具有一定的复杂性，因而目前研究的较多的用于透明加热器的材料主要是基于透明和传导的薄片，例如，金属氧化物、碳纳米管和石墨烯，还有新发展的金属网状材料等。但是总的来说，利用这样一些材料仍然存在很多问题，如，制备过程相对复杂、重复利用时传导速率慢、对热不敏感、本身具有一定的颜色、材料耗损大等等。为了解决这一系列问题，有研究指出利用银纳米线作为加热器的材料，银纳米线可以展现出高透明度、小的传导阻力、本身颜色很浅、容易制备等优点。银纳米线可以由简单的水溶液还原法制得，并且可以很容易的分散在活性基质的表面上。一般来说，直径小，长度大（即长径比大）的纳米线，上述特点更加突出。

其中对银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器的结构性能进行了如下研究：（1）银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器的形态

制备得到直径约为100 nm，长度在50～100 m范围内的高质量银纳米线，长径比达到500～1000，展现出较好的性能。银纳米线为面心立方结构，沿着<110>晶向生长。根据能量色散谱图，银纳米线表面没有任何氧化物杂质存在。

通过聚3，4-乙撑二氧噻吩:聚(对苯乙烯磺酸)根阴离子(PEDOT:PSS)连接银纳米线，并将其负载在基质载体上，制成透明加热器。在进行50次加热到120℃的实验后，没有观察到明显的形态变化，例如银纳米线转变为纳米粒子。这充分说明，银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器可以重复利用。

（2）银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器的光学性能

将银纳米线/PEDOT:PSS薄片加热器进行50次加热到120℃的实验前后薄片对光的总的透射率进行对比，发现实验前后薄片的光学性能也几乎没有发生改变。这也说明，加热器具有稳定的透射率，可以重复利用。在进行重复加热的实验测试之后，银纳米线之间的连接更加紧密，表面更加光滑。减少了内表面的反射，从而减少了整个加热器的反射，因此，表现出较好的光学性能。将银纳米线负载在不同的载体上，透射率会有不同，但纳米线/ PEDOT:PSS薄片总的透射率大约可以达到93.6％。

（3）银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器对热的响应行为

通过对加热器施加一个持续的电压，进行300s的时间，来测试加热器的热能输出情况。加热器所要达到的目标温度，可以由输入电压的大小来控制。当输入电压为6V时，进行了50次的重复试验，结果发现，温度随时间的曲线的形状没有变化，只是最高温度有小幅度的增大。最高温度的小幅度的增大是由于加热器薄片的电阻很小程度的减小，而这又可以归因于前面提到的在进行重复加热的实验测试之后，银纳米线之间的连接更加紧密，表面更加光滑。另外，加热器的稳定性测试是在一定的电压下，持续加热2 h，结果表明，加热器所能达到的

温度不会大幅下降。以上测试结果可以说明，加热器能够长时间稳定的工作。

并且研究发现，测试过程中，在加热到一定时间后，体系的温度能够达到一个平衡，维持稳定。这主要是PEDOT:PSS层在起作用，如果没有PEDOT:PSS 层，体系的温度就会发生波动。基于这一点，银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器就可以做到低能耗。

加热器所能达到的温度主要取决于两个方面，加热器通过电能所产生的热能和加热器所损失的热能。电能所产生的热能主要由输入电压的大小决定，而热能拿的损失则主要由加热器的材料决定。实验中，根据材料的的热熔可计算得到加热器主要的热损失。银纳米线的热熔较小，可以忽略，如果基质载体片的厚度减小也将有利于减少热损失。

（4）银纳米线/ PEDOT:PSS薄片加热器除雾性能的测试

在除雾测试的过程中，清晰地观察到，对加热器施加6V的电压，在40s后，玻璃窗就恢复了透明度。因此，在具有一定的热能输出时，银纳米线/ PEDOT:PSS 薄片加热器可以应用于除雾窗的领域。

2.二元合金纳米线的分子动力学模拟研究[2]

利用分子动力学模拟了Au x-Co1-x和Pt x-Co1-x纳米线的拉伸，以研究在两个电极之间双金属单原子线的形成情况。分别进行了x = 0.2和0.8时，在10～400K 的温度范围内，长径比为13，横截面积为1 nm2的纳米线的拉伸实验研究。实验中所采用的分子动力学模拟方法是基于二阶矩阵近似（SMA）的态密度紧密耦合哈密顿的半经验原子间的势函数。

研究发现，在拉伸的过程中，对于Au x-Co1-x纳米线金原子倾向于朝着更小的区域移动，以形成纯金原子的线。而在Pt x-Co1-x纳米线中，拉伸之后所形成的链通常是呈现Pt原子含量高和低交替出现的机构。对于大块状的Au-Co合金倾向于形成分散的相，而对于Pt-Co合金则形成有序的相。在Au-Co合金中，尺寸介于Au和Co之间，从而倾向于形成分散的相。同时，由于表面能不同，促使金原子从表面分离。而在Pt-Co合金中，铂原子只有很小的趋势从表面分离。所以，对于Au x-Co1-x纳米线金原子倾向于朝着更小的区域移动，以形成纯金原子的线。而在Pt x-Co1-x纳米线中，拉伸之后所形成的链通常是呈现Pt原子含量高和低交替出现的机构。

此外，其中最引人注目的研究结果是，Au0.2-Co0.8会在两个电极之间形成金原子的单原子链，组成了一个一维的自旋阀。基于此，可以将其应用于自旋电子学。研究中所采用的分子动力学方法仅仅解决了一些简单的问题，期望分子动力学方法能够应用于更多更复杂的关于材料的磁性以及电子传导性方面的计算。