納米材料的合成與應用研究進展

苑 蕾，張靜玉，劉海燕

(營口理工學院，遼寧 營口 115000)

近年來，作為新崛起的中國納米科學技術研究，納米材料在催化劑、光電材料、涂料防腐、生物醫學等多個領域有著極其廣泛的應用。本文詳細總結了一些通常用于合成和制備納米材料的方法和應用，并為納米材料的未來研究提供參考。

1 納米材料概述

“納米”實際上是一長度單位，一個納米等于一毫米的百萬分之一，或者一個納米等于一米的十億分之一，它等效于45個原子緊密相連的長度。納米材料是指尺寸在一個或多個納米范圍內的材料或由三維空間中的基本單元組成的材料。由于納米材料的表面正電子和負電子的運動，以及晶體結構的位錯和滑移，通常會產生宏觀材料完全沒有的四種效應，即小尺寸效應、量子效應、表面效應和邊界效應。納米材料根據不同的分類依據，便會有不同的分類方法。其常見的分類方法如表1 所示：

表1 納米材料分類方法

2 納米材料的合成研究

納米材料的合成方法主要包括三類：固相法、氣相法和液相法。

2.1 固相法

固相法是制備傳統材料的方法，其通過固相或固相化合物的反應形成前體，然后在高溫下分解。它可以分為四個過程：試劑的擴散，化學反應，發芽和晶體形成。該方法具有成本低，生產效率高，制備工藝簡單的優點，但制備的納米粒子具有純度高，粒度分布不均的特點。但是它可以滿足一般需求，并且操作不笨重，并且產量相對較高。另外，近年來，科研工作者們已經開發出了高能球磨機，它利用氣體研磨和分級方法的組合[1]。因此，具有尺寸均勻，粒徑大等特點的它被廣泛使用。研究者們在室溫下使用固相反應，除了特定的固態晶體結構以外，還制備了一系列納米材料。

2.2 氣相法

通過使用氣態原料在高溫下產生納米顆粒，或者通過使用固態原料在高溫下蒸發蒸氣，或者通過使氣體直接過飽和或將它們冷凝成固態納米顆粒，來生產納米材料[2]。通常情況下，相互之間的氣相化學不少于兩種材料甚至更多材料組在一起，并在具有一定條件中，它們相互之間參與反應，于是，它們便可合成理想性的氧化物。在合成以后，氧化物將會進行快速縮合以來產生各種縮合物的納米顆粒。

2.3 液相法

液相合成法具有制備方法多樣，操作簡單，尺寸可控等優點。尤其是隨著超聲、微波輻射等物理技術的引入，液相法合成納米氧化物材料技術得到了更廣闊的發展空間。

2.3.1 微乳液法

微乳液法原理是將粒子包裹在微反應器中，然后控制粒徑的分布，所以最終生成的粒子尺寸較小且均勻，可以得到超細粉末。可以將表面活性劑添加到溶液系統中，以使粒子彼此分離并改變表面層，以使整個系統在顯微鏡上形成不均勻的分布，但這是一種解決方案。微乳液法可以人為地控制產品質量，但使用表面活性劑的成本不低，反應后不易純化分離。研究者們以硝酸鈰為原料，以十六烷基三甲基溴化銨為模型合成了CeO2納米粒子。

2.3.2 水熱法

水熱法是合成納米材料的常用方法之一，也稱為熱液法。是指在特制的高壓反應釜中，利用金屬或沉積物，以及溶劑介質(或水或有機溶劑)，在水熱液的反應下，創造高溫高壓的反應環境，使得難溶或不溶的物質重新溶解并結晶析出的一種合成方法。生成納米氧化物的晶體一般有兩種途徑：一是先制備出前驅體，然后調節溶液pH值得到沉淀物，再將所得沉淀放入高壓反應釜內進行晶化；二是先調節反應液pH值，然后控制反應溫度、反應時間，在高壓釜中反應制備產物。水熱法所需設備簡單，對實驗條件要求不苛刻，而且很容易獲得尺寸均勻、形態可控、純度較高的納米材料。吳南春等分別研究了酸性和堿性條件下水熱法合成CeO2納米材料，但是晶體尺寸較小，出現明顯的團聚現象。

2.3.3 溶膠-凝膠法

在溶膠-凝膠法中，稀土摻雜是通過兩個步驟進行的，即水解、聚合。此法基本過程是水解無機鹽或稀土金屬醇鹽，逐步縮聚凝膠稀土金屬化合物，并對所得產物進行干燥并燒結處理。采用低溫化學方法可以將材料切割成很小的尺寸，使其均勻性達到納米或分子水平。此法的優點是溶膠是在溶液狀態下獲得的，該工藝簡單，原料廉價易得，無機械混合，所需時間短，條件溫和，降低了顆粒二次生長的可能性。改性后的顏料在水中具有良好的分散穩定性、耐高溫性、耐腐蝕性和鮮艷的色澤。此外，著色能力也會大大提高。

3 納米材料的應用

納米材料現在越來越和我們的生活緊密相關，它的研究不僅涉及了材料化學、合成化學和結構化學等學科書本上的基本概念和基礎理論，同時納米材料的研究實際上在開發高新性能的功能材料分子也具有一定的研究價值[3]。

3.1 納米材料在生物醫學方面的應用

氧化鋅納米材料可以促進混合淋巴細胞培養中淋巴細胞的增殖，并增強免疫反應的強度。納米材料在免疫調節中的作用已受到越來越多的關注。當前的研究集中于鑒定免疫標記的靶標。在紫外線下，濃度為0.1 mg/cm3的超細TiO2可以完全殺死惡性細胞。隨著超氧化物歧化酶的增加，殺死TiO2癌細胞的效率也得到了提高[4]。用TiO2催化劑處理氧化的深水可以顯著減少水中的細菌數量。將納米二氧化鈦添加到涂層中可以產生抗菌，抗真菌，抗真菌和自清潔涂層。它可用于細菌密集且易于繁殖的醫院病房，手術室和家庭衛生間。芽孢桿菌，葡糖桿菌和其他有害細菌可以預防感染。

3.2 納米材料在環境科學的應用

許多研究人員已經得到研究結果，如果用納米催化劑處理河流的有機廢水和大氣有機污染物；國內部分研究機關正在和相關企業一起推進產業化，讓獨特的納米膜能監測化學和生物污染，通過過濾這些藥劑，消除污染。

3.3 納米材料在電子學方面的應用

納米二氧化鈦復合材料是有機廢水處理的理想選擇。譚向平使用了一種新型的合成催化劑，負載了鈦銀，并經過生化印刷，染色和洗滌后用深水處理。經過120分鐘的光照，印染污水和純凈廢水的去除率為75.3%。方有玲及其同事通過浸漬和研究光催化產物的制備，來制備浮在水表面的TiO2催化劑。這為海洋石油污染提供了一個實用的解決方案，廣泛應用于微電子、電子和信息產業。

3.4 納米材料在國防高科技方面的應用

納米粒子具有特殊的電，磁，光學性質。近年來，納米氧化物材料制作的紅外探測器，紅外吸波材料，雷達吸波材料等已廣泛應用于各種飛機，導彈和軍艦上。今后戰場上將會出現多種類型的導彈和戰艦。今后可能會出現各種小型偵察機和戰斗機。目前，美國、日本、英國、德國等國在各種頻率吸收材料、量子元件、DNA形態和克隆過程控制等方面取得了劃時代的進展。

納米氧化鋅具有很強的吸收紅外線的能力，吸收率和熱容的比值大，可應用于紅外線檢測器和紅外線傳感器。納米氧化鋅還具有質量輕、顏色淺、吸波能力強等特點，能有效的吸收雷達波，應用于新型的吸波隱身材料。

3.5 納米材料在光催化方面的應用

陽極TiO2納米管最獨特的是，它們可以通過均質TiX合金(即，鈦(Ti)合金與摻雜劑)的陽極氧化進行摻雜。例如，W，Mo，Nb，Ru或Ta摻雜的TiO2納米管；含貴金屬管，甚至摻雜的TiO2納米管(來自Ti-N合金)等。這種摻雜的管有可能會大大增強的光催化性能。例如，對于固有的W和Mo摻雜管，發現在OCP下光催化活性大大提高。W和Mo的這種效果無法通過管中的電荷傳輸來解釋，只能歸因于摻雜納米管的能帶或表面態分布的改變[5]。Nb和Ta摻雜對提高管的電導率特別有效，可以改善光電化學光催化反應，例如從甲醇電解質溶液中生成H2。類似地，Ru可以整合到管壁中。TiO2罐中的Ru要么充當摻雜劑或以RuO2的形式存在，以充當O2進化的助催化劑。在光電化學實驗摻Ru的納米管中，我們可以觀察到H2有很高的轉換效率。

3.6 納米材料在日常生活的應用

納米技術不僅對環境、國防和農業等方面提供了便利，而且還極大的改善了我們的日常生活。當前，在日本，將抗菌劑添加到需要大量抗菌劑以在玻璃表面上覆蓋納米柚木層以實現自清潔而無需人工清潔的納米氧化物材料中。化學纖維織物制成的衣服是有色的，但摩擦很容易產生靜電，為消除這種煩人的現象，可在生產過程中添加少量納米氧化物顆粒。由納米復合材料制成的洗衣機的內筒也可以起到抗菌作用。將一些納米顆粒加工成納米氧化物顆粒后，它可以改善附著力，增加紫外線吸收，改善附著力并增加紫外線吸收特性，納米材料離我們的生活越來越近。

4 結語

納米材料的開發和使用為有效利用納米材料，擴大納米材料的應用范圍，促進新型和有意義的功能材料的開辟新途徑。納米材料對于將資源優勢轉化為經濟優勢很重要。相信隨著納米技術的發展和市場法規的發展，在不久的將來，中國的納米材料產業將逐漸成熟，并為納米科技的發展做出貢獻。