纳米材料的制备方法与应用要点

纳米材料的制备方法与应用
贾警(11081002) 蒙小飞（11091001）
1引言
自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得。

铁纳米微粒以来，由于纳米材料有明显不同于体材料和单个分子的独特性质—小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子轨道效应等，以及其在电子学、光学、化工、陶瓷、生物和医药等诸多方面的重要价值。

引起了世界各国科学家的浓厚兴趣。

几十年来，对纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了丰硕的成果。

纳米材料指其基本组成颗粒尺寸为纳米数量级，处于原子簇和宏观物体交接区域的粒子。

颗粒直径一般为1~100nm之间。

颗粒可以是晶体，亦可以是非晶体。

由于纳米材料具有其特殊的物理、机械、电子、磁学、光学和化学特性，可以预见，纳米材料将成为21世纪新一轮产业革命的支柱之一。

2纳米材料的制备方法
纳米材料有很多制备方法，在此只简要介绍其中几种。

2.1溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是材料制备的是化学方法中的较为重要的一种，它提供一种再常温常压下合成无机陶瓷、玻璃、及纳米材料的新途径。

溶胶-凝胶法制备纳米材料的主要步骤为选择要制备的金属化合物，然后将金属化合物在适当的溶剂中溶解，然后经过溶胶-凝胶过程而固化，在经过低温处理而得到纳米粒子。

2.2热合成法
热合成法制备纳米材料是在高温高压下、水溶液中合成，在经过分离和后续处理而得到纳米粒子，水热合成法可以制备包括金属、氧化物和复合氧化物在内的产物。

主要集中在陶瓷氧化物材料的制备中。

2.3有机液相合成
有机液相合成主要采用在有机溶剂中能稳定存在金属、有机化合物及某些具有特殊性质的无机化合物为反应原料，在适当的反应条件下合成纳米材料。

通常这些反应物都是对水非常敏感，在水溶剂中不能稳定存在的物质。

最常用的反应方式就是在有机溶剂中进行回流制备。

2.4惰性气体冷凝法
惰性气体冷凝法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。

其主要过程是在真空蒸发室内充入低压惰性气体，然后对蒸发源采用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体。

原料气体分子与惰性气体分子碰撞失去能量，凝集形成纳米尺寸的团簇，然后骤冷。

该方法制备的纳米材料纯度高，工艺过程中无其它杂质污染，反应速度快，结品组织好，但技术设备要求高。

2.5反相胶束微反应器法
油包水微乳液中反相胶束的微液滴是一种特殊纳米空间，以此为反应场，可使不同胶束
中的反应物进行互换，并进行反应，从而制备纳米级微粒。

在制备过程中，反相胶束是一个
微小的反应场，称其为智能微反应器。

利用反应胶束微反应器进行纳米材料制备时，反应物
加入方式有直接加入法和共混入法两种方式，不同的加入方式对应不同的反应机理，但结果
都是相同的，都能制备出高度分散、粒度均匀的纳米粒子。

2.6深度塑性变形法
深度塑性变形法是指材料在准静态压力的作用下发生的严重塑性变形，从而使材料的尺
寸细化到纳米量级。

块体材料在准静压力下，一般细化为晶态材料和非晶态材料的混合物，
然后经过一定的热处理，从而形成纳米材料。

该方法制备的材料纯度高，粒度可控性好。

3纳米材料的应用
3.1纳米材料在催化剂方面的应用
在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间，提高反应
效率和反应速度。

在催化剂上，纳米材料有极强的优势，纳米材料的比表面积大，表面活性
中心多，这为作催化剂提供了必要条件。

同时纳米材料的体积效应和表面效应决定了它具有
良好的催化活性和催化反应选择性。

它可大大提高反应效率，控制反应速度，对比一般催化
剂，纳米微粒催化剂可提高反应速度10~15倍。

起化学催化作用的纳米微粒催化剂主要有以下几种。

一是直接用金属纳米微粒作催化剂，该类催化剂以贵金属（Ag、Pd、Pt、Rh 等）的纳
米粉末为主，Fe,Co,Ni等贱金属也得到了一定应用。

一些金属微粒作为催化剂时，除了提高
反应效率外，还具有良好的选择性，并且这种选择性与纳米微粒的颗粒度有关。

二是将金属纳米微粒到多孔性载体上作催化剂。

常用的载体有氧化铝、二氧化硅、氧
化镁、二氧化钛、沸石和活性炭等多孔性载体，负载的金属纳米微粒的粒径约为1~100nm。

可以将多种金属纳米微粒同时负载或制成复合金属纳米微粒后负载到同一载体上，能够进一
步增加催化剂的选择性。

三是用有关化合物的纳米微粒作为催化剂，如MnS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米微
粒加入到煤、油等燃料后，对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化剂助燃作用，同时不会增加
尾气中的硫含量。

除化学催化作用外，半导体纳米粒子的光催化和热催化作用已经引起人们的广泛重视
并在催化降解有机物等方面得到了一定应用。

3.2纳米材料在制备新型工程材料中的应用
纳米材料的小尺寸效应使其在较低温度下烧结就可获得质地优异的烧结体（如SiC、
WC、BC等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能，可用于制备低温烧结材料。

同时这些
纳米材料由于烧结温度低、流动性大、渗透性强、烧结收缩大，可作为相关烧结过程的活化
剂使用，对加快烧结过程、缩短烧结时间和降低烧结温度有重要作用。

纳米材料的小尺寸效
应和表面效应，不仅使其熔点降低而且可降低相变温度，从而使不同材料的熔点和相变温度
进一步接近并可在低温下进行固态反应，克服由于不同材料的熔点和相变温度不同而引起的
难以烧结成复合材料的困难，得到烧结良好的复合材料。

如不同种类的纳米陶瓷粉末在低温
低压下就可生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷，具有塑性好、硬度高、耐高温、耐磨、
磁化率和矫顽力高、饱和磁矩和磁耗低等优异性能，可用于生产发动机陶瓷和增韧陶瓷等特
种陶瓷，具有广阔的应用前景。

3.3纳米材料在磁性材料方面的应用
磁性材料是信息储存、处理和传输过程的关键材料。

在经历了晶态、非晶态和纳米微晶态的发展阶段后，磁性材料现已进入纳米微粒与纳米结构材料的阶段。

近年来随着信息飞速发展，求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。

高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切关系。

若以超微粒做记录单元。

可是记录
密度大大提高。

纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁性记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头和磁盘，在转轴处已普遍采用磁性液体的防尘密封。

3.4纳米材料在涂料方面的应用
纳米材料利用其独特的光催化技术对对空气中有毒气体有强烈的分解、消除作用，可用于家庭、医院、宾馆、和学校的涂装；利用纳米材料二元协同的荷叶双疏原理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能等特性，可用于外墙涂料；纳米微粒对红外和电磁波又吸收隐身作用，由于纳米尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，从而达到隐身作用；利用纳米材料的这种特性，可用于飞机、潜艇、导弹等的涂装材料上。

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。

3.5纳米材料在解决能源中的应用
合理利用传统能源和开发新资源时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或在半导体表面修饰燃料、导电聚合物等，能使光分解水的效率成倍增加，将对太阳能的光化学存储起巨大的推动作用。

利用半导体纳米材料制备光电转化效率极高的即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池取得重大进展。

Gratzel 等人用覆盖有染料薄膜的半导体纳米二氧化钛多孔膜作为太阳能电池的工作电极，由染料承担吸收光和给出电荷的作用，半导体纳米多孔膜承担支撑染料、接受激发态染料给出的电荷和传导电荷的作用，可大大提高光电转化效率和稳定性，应用和产业化前景较好。

除上述应用以外，纳米材料在印刷油墨、电子浆料、传感器、生物、医学和人工智能等方面都现了良好的应用前景并得到了一定应用。

例如，利用纳米粒子的颜色可随粒径不同而改变、粒径越小颜色越深的性质，通过选择粒度适当且粒径均匀的无毒性的纳米粒子制备各种颜色的印刷油墨，以代替传统的由化学颜料配置的油墨，对改善印刷操作条件，防止油墨对人体的伤害和保护坏境都是十分有利的。

4 结语
纳米科技和纳米材料问世至今已有20多年的历史，初步了解了材料创新和性能开发等基础研究工作，现正步入完善工艺、全面应用和产业化阶段。

在我国如何将高新技术高效地进行产业化，将技术优势尽快转化为经济优势，一直是全国上下在努力探索和有待解决的问题。

纳米材料的制备方法与应用蒙小飞（11091001）
贾警（11081002）。