纳米结构材料的模板合成方法

纳米结构材料的模板合成方法

苏育志龚克成

【摘要】本文综述了以径迹蚀刻聚合物膜或多孔Al2O3膜为模板，结合电化学沉积、化学沉积、现场聚合、溶胶-凝胶法和化学气相沉积技术合成导电聚合物、金属、碳、无机半导体等纳米管状或线型材料的方法。同时还介绍了模板合成材料的应用前景。

【关键词】纳米材料；模板合成

中图分类号：TB383 文献标识码：A

Template Synthesis of Nanomaterials

SU Yu-zhi,GONG Ke-cheng

(Polymer Structure & Modification b.,South China

Univ.of Technol.Guangzhou 510400,China)

【Abstract】 This article reviews a template synthesis me thod that the tubular and fibrillar nanostructure materials,such as conductive

polymer,metals,carbon,semiconductors and other materials,have been prepared withi n the pores of track-etch polymeric membranes and porous alumina membranes inte grated with electrochemical deposition,electroless deposition,in situ polymeriza tion,sol-gel deposition and chemical vapour deposition.In addition,this paperd escribes the application prospects of nanomaterials fabricated by template appro ach.

【Key words】nanomaterialo;template synthesis

1 引言

纳米结构材料因其具有独特的性能而应用于电子学、光学、机械装置、药物释放和生物化学等方面，近年来掀起了对纳米材料研究的热潮［1，2］，合成纳米结构材料的许多新方法也相继产生。早在1985年C.R.Martin等人在采用含有纳米微孔的聚碳酸酯过滤膜作为模板通过电化学聚合合成导电聚吡咯的基础上提出了纳米结构材料的模板合成方法［3 ］，并利用此方法合成了一系列的纳米结构材料［4-6］，随后有不少研究者在这方面做了许多研究工作［7-12］。

模板合成法制备纳米结构材料具有下列特点：①所用膜容易制备、合成方法简单，②能合成直径很小的管状或纤维材料，如Wu和Bein［7］利用此方法制备出直径只有3nm的导电聚合物纳米纤维，③由于模孔孔径大小一致，制备的材料同样具有孔径相同、单分散的纳米结构材料，④在模孔中形成的纳米管和纳米纤维容易从模中分离出来，⑤模板法不仅用来合成纳米管状或线状结构材料，而且还用来合成形状类似于毛刷的结构材料。

2 模板合成方法

2.1 模板合成方法中所采用的多孔膜

用作模板的材料主要有两种：一种是径迹蚀刻(track-etch)聚合物膜；另一种是多孔Al2O3膜。前者膜孔孔径大小分布较广，且分布不均匀；后者孔率较高，且膜孔孔径大小分布均匀，如图1。当然还有其它不少的膜可用作模板。

图1 聚碳酸酯膜(A：孔径1μm,B:孔径30nm)和A1203(C：孔径70nm,D:孔径10nm)的电镜照片

2.1.1 径迹蚀刻高分子膜

具有多孔的高分子过滤隔膜是通过径迹蚀刻方法制备而成的［13］，其孔径可以达到微米级，甚至可以达到纳米级。膜中含有直径一致的柱状微孔，孔的分布是不均匀无规律性，孔的直径可以小到10nm，孔率可达到109个/cm2，所用膜材料一般是聚碳酸酯、聚脂及其它聚合物材料。

2.1.2 多孔氧化铝膜

多孔氧化铝膜是在酸性溶液中由金属铝经过电化学阳极氧化制备而成［14］。这种膜含有孔径大小一致，排列有序、分布均匀的柱状孔，且不同于由径迹蚀刻制得的聚合物膜，氧化铝多孔膜中孔径小且柱状孔并不倾斜，因而孔与孔之间独立，不会因孔的倾斜而发生孔与孔交错现象。实验室可制备一定孔径的氧化铝膜［15］，孔径大小分布在200-5 nm的范围内，甚至可以更小，孔率高达1011/cm2［16］，所用氧化铝膜的厚度在10-100nm。孔率越高，合成的纳米材料的量就越多。

2.1.3 其它多孔膜材料

Tonucci［17］等近来介绍了一种纳米槽排列的玻璃膜，其孔径小到33nm，孔密度可达3×1010个/cm2;Beck［18］等已制备了一种新的微孔离子交换树脂，利用此材料作模板可以合成纳米尺寸的纤维状聚苯胺和石墨［7,19］;Douglas［20］等已表征出由细菌衍生的蛋白质中存在纳米大小的孔、这种蛋白质可以用作生物模板；Clark和Ghadiri［21］已制备出纳米管状多肽；Ozin［1］和Schollhorn ［ 22］论述了可以作模板的纳米孔固体材料。

2.2 其它化学方法在模板合成的应用

利用模板法可以合成具有管状结构和纤维状结构的纳米材料，模板在合成中仅起一种模具作用，材料的形成仍然要利用常用的化学反应来合成，如电化学沉积，电化学聚合，化学聚合，熔胶-凝胶沉积和化学气相沉积等。

2.2.1 电化学沉积

通过离子喷射或热蒸发使高分子或Al2O2膜表面及膜孔孔壁上涂上一层金属薄膜，用此膜作阴极，经电化学还原使要制备的材料沉积在金属膜上［23-25］。利用径迹蚀刻聚合物膜或Al2O3膜合成铜、金、银和镍等多种纳米线状金属材料，材料的长度可以通过金属的量来控制，金属电沉积的量增多时，则其纵横比(即长度与直径比)增加，反之则减少。由于纳米金属的光学性能主要取决于其纵横比，因此能够控制纳米金属的纵横比就显得特别的重要［26］。通过此方法也可以制备空心金属纳米管［27］，如在制备金纳米管时，在金沉积之前先用硅烷类化合物处理模板的孔壁，使金在膜孔中的孔壁优先沉积［28］。

利用电化学技术在模板合成法中还可以制备导电聚合物纳米线状或管状结构材料，如聚吡