溶剂热合成纳米功能材料研究进展_王敦青

收稿日期:2001-10-29;修回日期:2002-03-25

作者简介:王敦青(1971—

),女,山东莱芜人,在职硕士研究生,德州学院化学系讲师,主要从事纳米功能材料的制备及应用研究.

第18卷第2期2002年6月

德州学院学报

Journal of Dezhou Uiversity

Vol.18,No.2J un.2002

溶剂热合成纳米功能材料研究进展

王敦青

(德州学院化学系,山东德州　253023)

摘　要:简要的介绍了纳米功能材料的特点、应用前景及制备方法,并详细介绍了溶剂热反应及其优点以及常用的溶剂.

关键词:溶剂热合成;功能材料;纳米晶粉体

中图分类号:TB383 文献标识码:A 文章编号:1004-9444(2002)02-0061-04

1　前言

材料是人类赖以生存和发展的物质基础.与

人类社会、经济和文明的关系甚为密切,具有优良的电学、光学、磁学、热光、声学、力学、化学和生物,被用于非结构目的之高技术材料,人们称为功能材料.

随着科学技术的发展,功能材料的品种越来越多,功能材料的范围也越来越广.用功能材料制成的元、器件对于保证象飞机、航天器、电子设备、汽车、武器等庞大而复杂的系统运转正常是至关重要的.在功能材料中,如半导体材料、光电子材料、仪器仪表材料等还具有高功能、多品种、产量小、附加价值高、市场规模小、产品更新快等特点.20世纪90年代,随着纳米技术的发展,纳米功能材料的制备和研究受到越来越多的人们的重视.1　纳米功能材料的特点及应用前景

纳米材料指的是其基本颗粒的尺寸至少有一维在1～100nm 范围内的材料.当金属或半导体的颗粒尺寸减小到纳米范围时,其电学性质会发生突变,同时磁性、光学性质、光电性质一般也会有特殊的表现,其原因是电子能级发生了变化,金

属从准连续能级变为离散能级,半导体的能带宽

度也显著增加.纳米材料具有明显不同于体材料和单个分子的独特性质———表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观隧道效应等,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工作者的浓厚兴趣.十多年来,对纳米材料的制备、性能和应用等方面的研究,都取得了丰硕的成果.

尽管目前纳米材料在工业上还未得到广泛的实际应用,但基于其具有的优异的性能,它们在磁性材料、电子材料、光学材料以及高强、高密度材料的烧结、催化、传感等方面有广阔的应用前景.如美国制造的100nmAl 203陶瓷具有2.4GNm -2的高强度,可用作诸如高效率气轮机、航空设备、汽车等部件.纳米材料巨大的表面积、较高的表面活性、对周围环境的敏感性等使其成为传感器制造行业中的最有前途的材料.纳米材料特有的光吸收、光散射、光学非线性的特征,使其在未来的日常生活和高技术领域内具有广阔的应用前景.例如,利用纳米氧化物对紫外光的强吸收能力,可以改善日用照明设备,提高照明寿命,减少对人体

的损害;纳米材料优异的光学性能使其在光存储等方面将有应用前景;纳米SiO2材料在光传输中的低损耗可以大大提高光传导的效率;纳米材料的电、磁性在工业上也有广泛的应用,如巨磁阻材料用作磁记录材料可作为下一代信息储读写头材料等;软磁性材料可用作高频率转换器、磁头.纳米材料用作磁记录材料可以提高信噪比、改善图象质量.纳米材料的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多,这就为生物学提供了一个研究途径,即利用纳米材料进行细胞分离,细胞染色以及用纳米材料制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等.因而纳米材料在生物学和医学上也有重要应用.

2　纳米材料的制备方法

纳米物质的制备方法传统上可分为物理方法和化学方法.

2.1　物理方法

物理方法是将较粗的物质粉碎,如低温粉碎法、超声波粉碎法、水锤粉碎法、高能球磨法、喷雾法、冲击波破碎法、蒸汽快速冷凝法、蒸汽快速冷却法、蒸汽油面冷却法、分子束外延法等.通过物理方法,可制造出直径为几个纳米的氧化物粉体,并且可保证纳米颗粒具有较为洁净的表面,但是通过物理方法制备的纳米粉体常常具有较宽的粒度分布,较严重的团聚等.

2.2　化学方法

化学方法包括湿化学方法和干化学方法.干化学方法有高温自曼延法(SHS)、化学气相沉积法(CVD)、固相反应法等.湿化学方法的种类较多,如共沉淀法、溶胶-凝胶法、金属醇盐水解法、喷雾干燥热解法、水热法,还有最近发展起来的声化学反应法、微乳液法、模板法、自组装法等.湿化学方法的一个致命的缺陷在于,由此路线制备的纳米粉体很难避免表面羟基的存在,而表面羟基的存在将对颗粒的性质起着严重的破坏作用,以致于限制了它的应用.为了弥补这一缺陷,人们作了很大努力.最近《科学》杂志上有文献报道了这方面的工作〔1〕,它的主要思路是利用有机硅化合物对金属氧化物溶胶颗粒的表面进行包裹,取代了表面羟基的位置,从而有效的避免了氧化物胶体的后期烧结过程中由于表面羟基的存在而导致颗粒长大的问题.利用此方法制备的氧化物纳米粉体,如二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡,其颗粒直径都在6纳米以下.《美国化学会志》也有相关的文献报道〔2〕,其主要思路是利用金属醇盐或其配合物,经表面活性剂包裹,然后在高沸点的长链有机胺(沸点大于300℃)中热分解,从而得到金属氧化物的纳米粉体.由于在此反应体系的原料和产物中都不存在水,因此有效的避免了表面羟基的存在.尽管表面羟基被取代,但别的杂质可能又被引入.对于前一种方法,纳米颗粒的表面将会附着一层硅的化合物,而对于后一种方法,由于表面活性剂的使用,也可能对纳米颗粒的表面产生一定影响.

化学家和材料学家一直致力于寻找简单、经济、温和、无污染的反应路线合成有价值的材料,水热法就是其中一种.

3　溶剂热反应

3.1　水热法

水热法〔3〕是在特制的密闭反应器(反应釜)里,采用水溶液作为反应介质,通过对反应容器加热,创造一个高温、高压反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶,通过水热反应可以完成某些有机反应或对一些危害人类生存环境的有机废弃物进行处理以及在相对较低的温度下完成某些陶瓷材料的烧结等.但是水热合成也受到一定的限制〔4〕,在水热条件下,有些反应物分解或有些反应不能发生,象碳化物、氮化物、磷化物、硅化物等.因此用非水溶剂象乙醇、甲醇、苯等代替水作为溶剂,通过溶剂热反应已经制备了大量前驱体对水敏感的纳米晶化合物.

3.2　溶剂热法的特点

溶剂热反应是近年来材料领域的一大研究热点〔4〕.溶剂热反应是水热反应的发展,它与水热反应的不同之处在于所使用的溶剂为有机溶剂而不是水.与其它制备路线相比溶剂热反应的显著特点在于反应条件非常温和(如金刚石的制备)〔5〕,可以稳定压稳物相〔4〕、制备新物质、发展新的制备路线等.如苯热G aN的合成〔4〕,产物除了大部分的六方相纳米晶G aN外,还含有少量的岩盐相G aN.可见溶剂热加压热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件才能制得的、在超高压力下才能存在的亚稳相.

在溶剂热反应中,一种或几种前驱体溶解在

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