电化学方法制备纳米材料

电化学方法制备纳米材料Mcc引言：诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。1992年,《NanostructuredMaterials》正式出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元,纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。而电化学方法制备纳米材料的研究，经历了早期的纳米薄膜、纳米微晶的制备，直至现在的电化学制备纳米金属线、金属氧化物等过程，为纳米材料的研究做出了极大的贡献。摘要:纳米是指特征维度尺寸介于1-100nm范围内的粒子微小粒子，又称作超微粒子。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。本文简单综述了纳米材料的合成与制备中常用的几种方法以及简单的一些应用，着重综述了纳米材料的电化学制备方法并对其影响因素和发展情景做以简单探究。关键词：纳米材料电化学制备特征应用ElectrochemicalpreparationofnanomaterialsMccIntroduction:NobelPrizewinnerinthesFeynemanprophecy:ifwetinyscaleofobjectsarrangedtosomecontrolofwords,wecanmaketheobjecthavealotofunusualcharacteristics,youwillseethepropertiesofmaterialshaveawealthofchange.Whathesaidisthematerialofthenanometermaterialnow.Nanomaterialsandnanotechnologyiswidelythoughttobethe21stcenturythemostimportantnewmaterialsandoneoftheareasofscienceandtechnology.In1992,theNanostructuredMaterialstheofficialpublication,markedthenanometermaterialscienceintoanindependentscientific(Bui1dingBlocks),nanoparticlesofsynthesisandassemblyisanimportantpartofthenanometertechnologyandthefoundation.Andelectrochemicalmethodspreparingnanometermaterialresearch,theexperiencedearlynano,film,nanomicrocrystallinepreparation,upuntilnowtheelectrochemicalpreparationnanometermetalwire,metaloxideprocess,fornanomaterialsmadegreatcontribution.Abstract:̥nanoisreferstothecharacteristicdimensionsizebetween1-100nmrangeofparticleoftinyparticles,calledparticle.Whenaparticlesizeissmalltothenanometerlevel,itswillhavefaceandinterfaceeffect,quantumsizeeffect,smallsizeeffectandthemacroscopicquantumtunneleffect,theseeffectsmakesthenanomaterialhasmanystrangeperformance.Inthispaper,theauthorbrieflyreviewedthesynthesisandpreparationofnanometermaterialsusedinseveralwaysandsimplesomeapplications,nanometermaterialreviewedemphaticallytheelectrochemicalpreparationmethodsandtheinfluencefactorsandthedevelopmentsituationtodosimpleexplored.Keywords:nanomaterialsElectrochemicalpreparationCharacteristicsapplication一、纳米材料纳米是指特征维度尺寸介于1-100nm范围内的粒子微小粒子，又称作超微粒子。处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统；它的大小介于宏观物质与微观粒子如电子、原子、分子之间，属于亚微观的范畴。人们将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围（小于100nm）的材料广义定义为纳米材料或纳米结构材料（nanostructuredmaterials）。纳米材料由两种组元构成：晶体组元和界面组元。晶体组元由晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及：物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要包括：（l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；（2）人造超晶格和量子阱结构；（3）结晶聚合物和聚合物混和物；(4）纳米晶体和纳米玻璃材料；（5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。经过科学家长期的的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。二、纳米材料的性能1.原子的扩散行为原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如：蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。研究表明：Fe在纳米晶Ni中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。2.力学性能目前，关于纳米材料的力学性能研究，主要包括:硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力—应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等的研究，所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。研究表明许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。另外，纳米金属材料的韧性都很低，主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。3.纳米晶金属的磁性早期的研究发现，纳米晶Fe的饱和磁化强度比普通块材a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。4.催化及贮氢性能在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。典型的如Rh／Al2O3、Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。三、纳米材料的特征纳米材料的特征主要有小尺寸效应、表面和界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应等。1.小尺寸效应（体积效应）当超细微粒的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长或超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，那么这种材料在光、声、电、磁、热、力学等方面均会表现出与大颗粒不同的特性，这一效应称作小尺寸效应或体积效应。2.表面与界面效应表面与界面效应效应是指纳米材料表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加，使其表面能及表面张力也随之增加。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境、结合能与内部的原子不同，存在许多悬空键，具有不饱和性质，因而极易与其他原子结合，具有很高的化学活性和电化学活性。3.量子尺寸效应当粒子的尺寸小到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由连续变为离散，对于纳米半导体材料存在的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道的能级和能隙变宽，此现象称为量子尺寸效应。四、纳米材料的合成与制备方法我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方面取得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研究集体和研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之地。纳米材料的制备理论基础，简单地说就是如何控制粒子生长，使其在所要求的阶段停止。目前国内外纳米材料的制备方法大体可以分为物理制备方法和化学制备方法2种。1.物理制备方法1.1机械法机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。1.1.1机械球磨法机械球磨法无需从外部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。1.1.2机械粉碎法以及超重力技术机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。1.2气相法气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。1.2.1蒸发冷凝法蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感