纳米材料的合成与应用研究进展

苑 蕾，张静玉，刘海燕

(营口理工学院，辽宁 营口 115000)

近年来，作为新崛起的中国纳米科学技术研究，纳米材料在催化剂、光电材料、涂料防腐、生物医学等多个领域有着极其广泛的应用。本文详细总结了一些通常用于合成和制备纳米材料的方法和应用，并为纳米材料的未来研究提供参考。

1 纳米材料概述

“纳米”实际上是一长度单位，一个纳米等于一毫米的百万分之一，或者一个纳米等于一米的十亿分之一，它等效于45个原子紧密相连的长度。纳米材料是指尺寸在一个或多个纳米范围内的材料或由三维空间中的基本单元组成的材料。由于纳米材料的表面正电子和负电子的运动，以及晶体结构的位错和滑移，通常会产生宏观材料完全没有的四种效应，即小尺寸效应、量子效应、表面效应和边界效应。纳米材料根据不同的分类依据，便会有不同的分类方法。其常见的分类方法如表1 所示：

表1 纳米材料分类方法

2 纳米材料的合成研究

纳米材料的合成方法主要包括三类：固相法、气相法和液相法。

2.1 固相法

固相法是制备传统材料的方法，其通过固相或固相化合物的反应形成前体，然后在高温下分解。它可以分为四个过程：试剂的扩散，化学反应，发芽和晶体形成。该方法具有成本低，生产效率高，制备工艺简单的优点，但制备的纳米粒子具有纯度高，粒度分布不均的特点。但是它可以满足一般需求，并且操作不笨重，并且产量相对较高。另外，近年来，科研工作者们已经开发出了高能球磨机，它利用气体研磨和分级方法的组合[1]。因此，具有尺寸均匀，粒径大等特点的它被广泛使用。研究者们在室温下使用固相反应，除了特定的固态晶体结构以外，还制备了一系列纳米材料。

2.2 气相法

通过使用气态原料在高温下产生纳米颗粒，或者通过使用固态原料在高温下蒸发蒸气，或者通过使气体直接过饱和或将它们冷凝成固态纳米颗粒，来生产纳米材料[2]。通常情况下，相互之间的气相化学不少于两种材料甚至更多材料组在一起，并在具有一定条件中，它们相互之间参与反应，于是，它们便可合成理想性的氧化物。在合成以后，氧化物将会进行快速缩合以来产生各种缩合物的纳米颗粒。

2.3 液相法

液相合成法具有制备方法多样，操作简单，尺寸可控等优点。尤其是随着超声、微波辐射等物理技术的引入，液相法合成纳米氧化物材料技术得到了更广阔的发展空间。

2.3.1 微乳液法

微乳液法原理是将粒子包裹在微反应器中，然后控制粒径的分布，所以最终生成的粒子尺寸较小且均匀，可以得到超细粉末。可以将表面活性剂添加到溶液系统中，以使粒子彼此分离并改变表面层，以使整个系统在显微镜上形成不均匀的分布，但这是一种解决方案。微乳液法可以人为地控制产品质量，但使用表面活性剂的成本不低，反应后不易纯化分离。研究者们以硝酸铈为原料，以十六烷基三甲基溴化铵为模型合成了CeO2纳米粒子。

2.3.2 水热法

水热法是合成纳米材料的常用方法之一，也称为热液法。是指在特制的高压反应釜中，利用金属或沉积物，以及溶剂介质(或水或有机溶剂)，在水热液的反应下，创造高温高压的反应环境，使得难溶或不溶的物质重新溶解并结晶析出的一种合成方法。生成纳米氧化物的晶体一般有两种途径：一是先制备出前驱体，然后调节溶液pH值得到沉淀物，再将所得沉淀放入高压反应釜内进行晶化；二是先调节反应液pH值，然后控制反应温度、反应时间，在高压釜中反应制备产物。水热法所需设备简单，对实验条件要求不苛刻，而且很容易获得尺寸均匀、形态可控、纯度较高的纳米材料。吴南春等分别研究了酸性和碱性条件下水热法合成CeO2纳米材料，但是晶体尺寸较小，出现明显的团聚现象。

2.3.3 溶胶-凝胶法

在溶胶-凝胶法中，稀土掺杂是通过两个步骤进行的，即水解、聚合。此法基本过程是水解无机盐或稀土金属醇盐，逐步缩聚凝胶稀土金属化合物，并对所得产物进行干燥并烧结处理。采用低温化学方法可以将材料切割成很小的尺寸，使其均匀性达到纳米或分子水平。此法的优点是溶胶是在溶液状态下获得的，该工艺简单，原料廉价易得，无机械混合，所需时间短，条件温和，降低了颗粒二次生长的可能性。改性后的颜料在水中具有良好的分散稳定性、耐高温性、耐腐蚀性和鲜艳的色泽。此外，着色能力也会大大提高。

3 纳米材料的应用

纳米材料现在越来越和我们的生活紧密相关，它的研究不仅涉及了材料化学、合成化学和结构化学等学科书本上的基本概念和基础理论，同时纳米材料的研究实际上在开发高新性能的功能材料分子也具有一定的研究价值[3]。

3.1 纳米材料在生物医学方面的应用

氧化锌纳米材料可以促进混合淋巴细胞培养中淋巴细胞的增殖，并增强免疫反应的强度。纳米材料在免疫调节中的作用已受到越来越多的关注。当前的研究集中于鉴定免疫标记的靶标。在紫外线下，浓度为0.1 mg/cm3的超细TiO2可以完全杀死恶性细胞。随着超氧化物歧化酶的增加，杀死TiO2癌细胞的效率也得到了提高[4]。用TiO2催化剂处理氧化的深水可以显着减少水中的细菌数量。将纳米二氧化钛添加到涂层中可以产生抗菌，抗真菌，抗真菌和自清洁涂层。它可用于细菌密集且易于繁殖的医院病房，手术室和家庭卫生间。芽孢杆菌，葡糖杆菌和其他有害细菌可以预防感染。

3.2 纳米材料在环境科学的应用

许多研究人员已经得到研究结果，如果用纳米催化剂处理河流的有机废水和大气有机污染物；国内部分研究机关正在和相关企业一起推进产业化，让独特的纳米膜能监测化学和生物污染，通过过滤这些药剂，消除污染。

3.3 纳米材料在电子学方面的应用

纳米二氧化钛复合材料是有机废水处理的理想选择。谭向平使用了一种新型的合成催化剂，负载了钛银，并经过生化印刷，染色和洗涤后用深水处理。经过120分钟的光照，印染污水和纯净废水的去除率为75.3%。方有玲及其同事通过浸渍和研究光催化产物的制备，来制备浮在水表面的TiO2催化剂。这为海洋石油污染提供了一个实用的解决方案，广泛应用于微电子、电子和信息产业。

3.4 纳米材料在国防高科技方面的应用

纳米粒子具有特殊的电，磁，光学性质。近年来，纳米氧化物材料制作的红外探测器，红外吸波材料，雷达吸波材料等已广泛应用于各种飞机，导弹和军舰上。今后战场上将会出现多种类型的导弹和战舰。今后可能会出现各种小型侦察机和战斗机。目前，美国、日本、英国、德国等国在各种频率吸收材料、量子元件、DNA形态和克隆过程控制等方面取得了划时代的进展。

纳米氧化锌具有很强的吸收红外线的能力，吸收率和热容的比值大，可应用于红外线检测器和红外线传感器。纳米氧化锌还具有质量轻、颜色浅、吸波能力强等特点，能有效的吸收雷达波，应用于新型的吸波隐身材料。

3.5 纳米材料在光催化方面的应用

阳极TiO2纳米管最独特的是，它们可以通过均质TiX合金(即，钛(Ti)合金与掺杂剂)的阳极氧化进行掺杂。例如，W，Mo，Nb，Ru或Ta掺杂的TiO2纳米管；含贵金属管，甚至掺杂的TiO2纳米管(来自Ti-N合金)等。这种掺杂的管有可能会大大增强的光催化性能。例如，对于固有的W和Mo掺杂管，发现在OCP下光催化活性大大提高。W和Mo的这种效果无法通过管中的电荷传输来解释，只能归因于掺杂纳米管的能带或表面态分布的改变[5]。Nb和Ta掺杂对提高管的电导率特别有效，可以改善光电化学光催化反应，例如从甲醇电解质溶液中生成H2。类似地，Ru可以整合到管壁中。TiO2罐中的Ru要么充当掺杂剂或以RuO2的形式存在，以充当O2进化的助催化剂。在光电化学实验掺Ru的纳米管中，我们可以观察到H2有很高的转换效率。

3.6 纳米材料在日常生活的应用

纳米技术不仅对环境、国防和农业等方面提供了便利，而且还极大的改善了我们的日常生活。当前，在日本，将抗菌剂添加到需要大量抗菌剂以在玻璃表面上覆盖纳米柚木层以实现自清洁而无需人工清洁的纳米氧化物材料中。化学纤维织物制成的衣服是有色的，但摩擦很容易产生静电，为消除这种烦人的现象，可在生产过程中添加少量纳米氧化物颗粒。由纳米复合材料制成的洗衣机的内筒也可以起到抗菌作用。将一些纳米颗粒加工成纳米氧化物颗粒后，它可以改善附着力，增加紫外线吸收，改善附着力并增加紫外线吸收特性，纳米材料离我们的生活越来越近。

4 结语

纳米材料的开发和使用为有效利用纳米材料，扩大纳米材料的应用范围，促进新型和有意义的功能材料的开辟新途径。纳米材料对于将资源优势转化为经济优势很重要。相信随着纳米技术的发展和市场法规的发展，在不久的将来，中国的纳米材料产业将逐渐成熟，并为纳米科技的发展做出贡献。