精细化工论文

上海大学2015～2016学年秋季学期研究生课程考试

课程名称：精细化工选论课程编号： 11SBA9001 论文题目: 核-壳结构纳米复合材料的研究进展

研究生姓名: 黄乐学号: ******** 论文评语:

成绩: 任课教师: 张宝华

评阅日期:

核-壳结构纳米复合材料的研究进展

黄乐

（上海大学环境与化学工程学院，上海200444）摘要：核-壳结构纳米复合材料因其独特的结构而呈现出诸多新奇的物理、化学特性，在催化生物、医学、光、电、磁以及高性能机械材料等领域具有广阔的应用前景。核-壳复合材料综合了无机、有机、纳米粒子诸多特异性质于一体,并可以通过分别控制核-壳的厚度等实现性能的调控。本文主要介绍了核-壳型复合纳米材料的特点、形成机理以及制备方法，同时指出了目前该领域的应用前景、存在的不足和今后的研究发展方向。

关键词：核壳结构；纳米复合材料；研究进展

Research and Development of Core-shell Nanocomposites

Huang Le

(School of Environmental and Chemical Engineering, Shanghai University, Shanghai 200444, China)

Abstract: core-shell structure nano composite materials have many novel physical and chemical properties due to their unique structures, which have broad application prospects in the fields of catalysis, medicine, optical, electrical, magnetic, and high performance mechanical materials. The core-shell composite materials have the characteristics of inorganic, organic and nano particles, and can be controlled by controlling the thickness of the core shell. In this paper, the characteristics, formation mechanism and preparation method of core-shell type composite nano material are introduced, and the application prospect, the existing problems and future research directions are also pointed out.

Key words: core-shell structure; nano composites; research progress

1 前言

随着纳米技术的发展，核壳结构纳米复合材料成为复合材料、纳米材料等领域研究的热点。核壳结构的纳米复合材料（CSNC）一般由中心的核以及包覆在外部的壳组成，CSNC中的内核与外壳之间通过物理、化学作用相互连接。广义的核壳结构不仅包括由不同物质组成的具有核壳结构的纳米复合材料，还包括中空微球、微胶囊等纳米复合材料。由于CSNC具有许多独特的物理和化学特性，在超疏水表面涂层、材料学、化学、磁学、电学、光学、生物医学、催化等领域都具有潜在的应用价值。随着人们对纳米材料认识的不断深入，对其研究也逐渐从制备简单的纳米颗粒向设计和可控合成具有特定功能性质的纳米复合材料方面过渡。在纳米尺度上对材料进行复合，是当前研究的热点之一。具有核壳结构的纳米复合材料是这种复合材料的一种典型的形式。过去10年里，构建具有核壳结构的材料引起了科学家的广泛兴趣。核壳结构的纳米材料具有一系列可调的优良性质制备不同类别的核与壳的新材料成为世界各国争相研究的重点。本文就核壳结构纳米复合材料的制备机理有一定的介绍，然后针对应用方向对一些文献进行评述，目的在于指出应用方向、研究进展和存在的问题，以期为研究CSNC提供一些研究思路。

2 核壳型纳米粒子的定义及分类

2.1 核壳型纳米粒子定义

核壳型纳米粒子是以一个尺寸在微米至纳米级的球形颗粒为核，在其表面包覆数层均匀纳米薄膜而形成的一种复合多相结构，核与壳之间通过物理或化学作用相互连接。广义的核壳材料不仅包括由相同或不同物质组成的具有核壳结构的复合材料，还包括空球、微胶囊等材料。

核壳型复合微球集无机、有机、纳米粒子的诸多特异性质与一体，并可通过控制核壳的厚度等实现复合性能的调控。通过对核壳结构、尺寸剪裁，可调控它们的磁学、光学、电学、催化等性质，因而有诸多不同于单组分胶体粒子的性质。他在材料学、化学组装、药物输送等领域具有极大的潜在应用价值。

2.2 核壳型纳米粒子分类

(1)无机—无机核壳结构微纳米材料:核壳均为无机材料的复合微纳米材料。

(2)无机—有机核壳结构微纳米材料:核为有机材料，壳为无机材料的复合微纳米材料。

(3)有机—无机核壳结构微纳米材料：核为无机材料，壳为有机材料的复合微纳米材料。

(4)有机—有机核壳结构微纳米材料：核壳均为有机材料的复合微纳米材料。

(5)复杂核壳结构微纳米材料：具有多层核壳结构，核壳多分分分别为有机或者无机材料。

3 核壳结构形成机理

无论是包覆无机物还是包覆有机物所形成的具有核壳结构的纳米颗粒，其形成机理主要有以下几种观点。

3.1 化学键作用机理

在用SiO2包覆TiO2的研究中发现，二者是通过形成Ti-O-Si键结在一起的。[1～3]这是由于SiO2

、TiO2这类无机氧化物纳米颗粒在水中可与水分子发生水合作用，产生羟基，如硅溶胶颗粒表面的硅醇基，这些基团容易与其它无机颗粒表面的羟基或高分子链上所带的一些官能团(如-COOH、-OH等)发生化学作用,使二者形成化学键。通过在反应体系中引入偶联剂,也可使包覆物与被包覆物之间形成化学键。如在制备Au表面包覆SiO2的研究中，[4]由于Au纳米颗粒在溶液中不能稳定存在 ,并且Au和SiO2间没有亲和性，不能直接完成包覆，因此先用柠檬酸吸附在Au纳米颗粒面防止其团聚,然后再加入偶联剂氨丙基三甲硅氧烷以及硅酸钠,就可以通过化学键的作用完成Au纳米颗粒表面包SiO2的过程。

3.2 库仑静电引力作用机理

这种机理认为，包覆剂带有与基体表面相反的电荷，靠库仑引力使包覆剂颗粒吸附到被包覆颗粒表面[5]。Homola等[6]研究了SiO2包覆γ-Fe2O3的机理,当pH在3～6之间时,γ-Fe2O3和SiO2带有相反电荷。他们通过混合带有相反电荷的γ-Fe2O3和SiO2两种颗粒,利用颗粒之间的静电相互作用,在γ-Fe2O3表面包覆了一层SiO2,使磁纳米颗粒具良好的分散性,并且防止了团聚的产生。