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水热法制备纳米材料研究进展

水热法制备纳米材料研究

张自强

(华中农业大学理学院武汉430070)

摘要:水热法由于设备简单、操作简便、产物产率高、结晶良好,在合成纳米材料方面表现出了良好的多样性,从而得到越来越多的应用。水热法合成过程中依然存在着很多需要解决的问题。本文对近年来利用水热法合成纳米材料的实验进行了整理,并探讨了其研究进展。

关键字:水热法纳米材料合成产物控制研究进展

正文:

水热法生长晶体是19世纪中叶地质学家模拟自然界成矿作用而开始研究的,水热法属于液相反应的范畴,是指在特定的密闭反应器中,采用水溶液作为反应体系,通过对反应体系加热、加压而进行无机合成与材料处理的一种有效方法,在水热条件下可以使反应得以实现,在水热反应中,水既可以作为一种化学组分起反应并参与反应,又可以是溶剂和膨化促进剂,同时又是一种压力传递介质,通过加速渗透反应和控制其过程的物理化学因素,实现无机化合物的形成和改进,水热法在合成无机纳米功能材料方面具有如下优势:明显降低反应温度(100-240℃);能够以单一步骤完成产物的形成与晶化,流程简单;能够控制产物配比;制备单一相材料;成本相对较低;容易得到取向好、完美的晶体;在生长的晶体中,能均匀地掺杂;可调节晶体生成的环境气氛。

1.水热法合成SnO2

2005年,韦志仁等采用水热法,以SnCl4·5H2O为前驱物,NaOH为矿化剂,在180℃,填充度为68% ,通过加入不同量的NaOH,调节溶液pH值分别为2、4、11,合成了三种具有不同形态的金红相SnO2纳米晶体。在研究过程中合成了一维定向生长SnO2纳米柱晶体,通过调节反应溶液的酸碱度,可以控制晶体的形貌,在较强的酸性或碱性条件下(pH为2或11时)获得了100~200nm长,直径约为10~20nm的棒状晶体。而当pH为4时,所获得SnO2金红相晶体没有较清晰的形貌特征。

2.水热法制备氧化锌

2006年,付三玲等人水热法制备纳米ZnO材料研究现状,研究了其制备特点及制备机理,从纳米ZnO晶体、阵列或薄膜、粉体三个方面制备实例研究了水热制备方法,最后探讨了纳米ZnO 材料发展前景。2010年,郑兴芳在研究纳米氧化锌的过程中发现,对于水热法制备纳米氧化锌,原料的选择、反应物的浓度、反应温度、反应时间和添加剂等都影响着产物的尺寸、形貌和性能。未来的工作应该对反应过程中的影响因素进行系统的研究,各种影响因素相互制约,要综合考虑所有可能影响晶体生长的因素,通过调整反应条件或参数,可以实现ZnO 纳米材料的可控合成。

3.水热法制备二氧化钛

2006年,夏金德采用水热法, 使用无水TiCl4 及钛酸四正丁酯为原料在反应温度120 ℃、反应时间5 h 的条件下,分别制备了不同晶相的二氧化钛( 即锐钛矿相和金红石相) 。采用X 射线衍射( XRD) 、透射电子显微镜( TEM) 分析手段对样品的物相、结构、形貌进行了表征和分析。XRD 结果表明,使用TiCl4作为原料,可以得到低温稳定的锐钛矿二氧化钛相;使用钛酸四正丁酯为原料,可以制备高温金红石相二氧化钛。TEM照片清晰地显示了锐钛

矿和金红石相的纳米颗粒大小均匀,分散性好。同时对其反应机理进行了简单的探讨。2010年,李雪飞等水热法制备TiO2一维纳米材料过程中原料、反应温度和反应时间、酸洗过程等反应条件对其形貌和晶体结构的影响,探讨了其形成机理及热稳定性,以期为实现TiO2一维纳米材料的形貌和晶体结构可控及应用提供借鉴。TiO2一维纳米材料因其特殊的物理化学性能,在光催化、太阳能电池和传感器等方面受到广泛关注。水热法制备TiO2一维纳米材料具有简单易行、成本低、产率高等优点。

4.水热法制备银纳米线

2008年,罗超、戴英采用简单水热方法,在没有表面活性剂和晶种存在的情况下,以葡萄糖为还原剂,通过反应生成的AgCl解离出的较低浓度的银离子来有效控制体系的反应速度, 成功制备了产率比较高的银纳米线。用XRD、SEM 对产物进行了表征,发现所制备的银纳米线具有面心立方结构、直径约100nm、长约数十微米。

5.水热法制备一维纳米材料的研究进展

水热法由于设备简单、操作简便、产物产率高、结晶良好,在合成纳米材料方面表现出了良好的多样性,从而得到越来越多的应用。在现代合成与制备化学中,越来越广泛地应用水热法来实现通常条件下无法进行的反应,合成多种多样的一般条件下无法得到的新化合物与新物相。目前,水热法已成为功能材料、特种组成与结构的无机化合物以及特种凝聚态材料等合成的重要途径。在大量实践中,通过把它与其它的合成技术,如分子的自组装、模板剂、晶体工程等的交叉与结合,水热合成技术得到了进一步改进和提高,如在水热反应过程中施加其它作用力(如微波场、γ辐照、磁场和电场等)以强化反应过程,大大扩展了水热法的效果和应用范围。

结语:目前,水热法已被广泛应用与纳米材料的合成中,作为一种简便易操作的合成方法,其在纳米材料制备中起着很重要的作用。但是,水热法合成过程中依然存在着很多需要解决的问题,如一维纳米材料的生长机理、对实验设备的要求以及实现对产物形态的有效控制。这些问题依然是限制一维纳米材料研究与发展的关键,也为一维纳米材料的控制合成提供了新的机遇与挑战。

参考文献:

【1】李雪飞,矫庆泽,赵芸,黎汉生,水热法制备TiO2一维纳米材料研究进展,化工进展,2011,30(2)【2】郑兴芳,水热法制备纳米氧化锌的影响因素研究,化工时刊,2010,24(6)

【3】罗超,戴英,水热法制备银纳米线及其生长机制的研究,西华大学学报,2008,27(6)

【4】周菊红,王涛,陈友存,张元广,水热法合成一维纳米材料的研究进展,2008,7

【5】夏金德,水热法制备二氧化钛纳米材料,安徽工业大学学报,2007,24(2)

【6】付三玲等,水热法制备ZnO晶体及纳米材料研究进展,人工晶体学报,2006,35(5)

【7】韦志仁等,水热法合成SnO2金红相纳米柱晶体,人工晶体学报,2006,35(1)

【8】冉献强,水热法研究进展

【9】K. Byrappa ,T. Adschiri,Hydrothermal technology for nanotechnology,Science Direct,53 (2007) 117-166