10.纳米材料的模板合成

状就决定了作为产物的纳米颗粒的尺寸和形状, 这些纳米笼就是
合成中的模板, 在反应充分进行后除掉该模板即得到纳米结构的 其它物种。 显然, 模板合成技术可以同时解决颗粒尺寸、形状控制和分散稳 定性问题, 因此利用和设计模板就显得尤为重要。
模板法合成纳米材料的过程
模板法合成纳米材料的过程
模板的分类
软模板合成纳米材料
模板法因能够在限制性介质环境中设计 出孔径和孔道尺寸可控的模板模型, 可在其 中有效地嵌入各种纳米粒子, 并可控制其形 状、尺寸大小, 还能防止团聚的发生, 因而 近几年在制备各种材料的各种形状和尺寸 的纳米结构材料方面得到了很大的发展, 在 纳米器件和功能材料方面具有广阔的潜在 应用前景。
Jia et al. Magnetic Nanochains of FeNi3 Prepared by a Template-Free Microwave-
Hydrothermal Method. Applied Materials & Interfaces, 2(2010), 2579-2584
硬模板 模板分为两类
软模板
硬模板
硬模板有多孔氧化铝、介孔沸石、蛋白、 MCM-41、纳米管、多孔Si模板、金属模板 以及经过特殊处理的多孔高分子薄膜等。
多孔阳极氧化铝膜
早在1932年，人们就已认识到多孔阳极 氧化铝膜(AAO)是由外部厚的多孔层及邻近 铝基底的紧密的阻挡层构成.阳极氧化膜的 研究很早就引起了科研工作者的兴趣，其 最早的工作又可追溯到1953年美国铝制备 公司研究室的F. Keller 等人的工作。
模板法合成纳米材料
Chem. Mater., Vol. 20, No. 9, 2008
NANO LETTERS 2002 Vol. 2, No. 7 717-720
模板合成的原理很简单, 设想存在一个纳米尺寸的笼子 , 让成核 和生长在该纳米笼中进行, 在反应充分进行后, 纳米笼的大小和形
软模板合成纳米材料
液晶模板原理
Mobil公司的科学家们根据介孔分子筛的微 观结构同表面活性剂在水中生成的溶致液晶相似 的特点，提出了液晶模板机理(liquid crystal templating mechanism，简记为LCT)，认为介 孔分子筛的合成是以表面活性剂的不同溶致液晶 相为模板而得到的。见示意图：
多孔阳极氧化铝膜
紧靠铝基体表面是一层薄而致密的阻挡层 (barrier layer)，上面则形成较厚的多孔层，多孔 层的膜胞是六角密堆排列，每个膜胞中心存在纳 米尺度的孔，且孔大小均匀，与基体表面垂直， 彼此之间相互平行。
硬模板合成纳米材料的实例
NANO LETTERS 2004 Vol. 4, No. 3 513-516
Cao et al. Ceria Hollow Nanospheres Produced by a Template-Free Microwave-Assisted Hydrothermal Method for Heavy Metal Ion Removal and Catalysis. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 9865–9870.
软模板合Leabharlann Baidu纳米材料
利用模板合成技术人们已经制得了各种 物质包括金属、氧化物、硫属化合物、无 机盐以及复合材料的球形粒子、一维纳米 棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等 各种形状的纳米结构材料。
Shi et al. Zn(II)-PEG 300 Globules as Soft Template for the Synthesis of Hexagonal ZnO Micronuts by the Hydrothermal Reaction Method. Langmuir 2009, 25(10),5940–5948.
软模板
软模板则常常是由表面活性剂分子聚集 成的胶团、反胶团、囊泡等。
软模板
软模板和硬模板二者的共性是都能提供 一个有限大小的反应空间，区别在于前者 提供的是静态的孔道，物质只能从开口处 进入孔道内部，而后者提供的则是处于动 态平衡的空腔，物质可以透过腔壁扩散进 出。
软模板合成纳米材料
表面活性剂分子在溶液中也可以自发形成液晶自组装体。液晶以其 “刚柔并济”的特点具有以下几方面的优势： • 1. 液晶界面为刚性界面，层与层之间为纳米级空间在此空间内生成粒子 的粒径可控； • 2. 液晶相较大的黏度使得粒子不易团聚、沉降，有利于合成单分散性的 粒子； • 3. 液晶相随表面活性剂浓度易调节为不同的形状； • 4. 液晶模板在合成过程中相当稳定，在一定温度下灼烧即可除去模板剂。
软模板合成纳米材料
表面活性剂首先在溶液中形成棒状胶束，规则地排列成为六 角结构的液晶相，当加入无机硅源物质后，无机硅聚阴离子就沉 积在六角棒状胶束的周围，从而形成以液晶相为模板的有机-无机 复合物。
软模板合成纳米材料
模板法( 包括硬模板和软模板法) 是制备 纳米结构材料的常用方法, 可用来制备多种 物质的各种形状( 如: 球形粒子、一维纳米 棒、纳米线、纳米管以及二维有序阵列等) 的纳米结构。