下载文档原格式
表面活性剂与纳米材料的制备表面活性剂与纳米催化材料的制备摘要：随着纳米技术的发展，发现与合成新型的、高质量、性能优异的纳米结构材料成为多学科交叉研究的热点。
本论文首先介绍了纳米催化材料的在催化应用方面的优异特性及其制备方法，其次介绍了在纳米催化材料制备中用到的表面活性剂的性质，最后介绍了表面活性剂在纳米催化材料制备中所起的重要作用。
关键词：表面活性剂纳米材料一、研究背景纳米材料出现许多既不同于宏观体系，也不同于微观体系的奇异性能，比如小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使其得到越来越多的关注。
在催化方面，纳米材料也有很大的用武之地，由于纳米材料极小的尺寸，导致其具有很大的比表面积，更多的活性位将会暴漏出来，显现极高的催化活性。
另外，纳米粒子的表面原子所处晶体场环境及结合能与内部原子不同，存在较多的悬空键，具有不饱和性质，活性很高，使其极易与其他原子或者分子发生相互作用，尤其是在催化方面，能够很好的活化反应分子，降低活化能，极大的提高反应速率。
而合成形貌可控的纳米金属结构的方法中，有些会涉及到了表面活性剂的使用。
二、纳米催化材料特性及其制备方法区别于一般催化剂，纳米催化剂表现出如下这些特性:(1)表面特性:在纳米催化剂颗粒中，由于表面原子与总原子周边缺少相邻原子，因而出现许多悬空键，显示出不饱和性，极易与其它原子结合而稳定下来[1]。
当颗粒直径较接近原子直径时，催化剂表面原子占总原子的百分比急剧增加，催化剂的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大，具有很强的化学活性。
(2)吸附特性:氧在纳米催化剂上的吸附则更为明显，几乎所有的纳米颗粒在有氧条件下都能够发生氧化反应，即使是热力学上稳定性很好的贵金属，经纳米技术处理也能发生氧化反应。
氢在催化剂上的吸附方式将对催化反应起着至关重要的作用。
氢在某些过渡金属纳米催化剂表面呈解离吸附，这对催化部分有机化合物的还原有很好的促进作用。
如，镍铝骨架负载高分散性镍所制成的雷尼镍纳米催化剂，呈现了对有机化合物还原反应非常高的活性与选择性。
表面活性剂在纳米技术中的应用研究随着科技的不断进步和发展，纳米技术已经逐渐成为人们眼中的热门话题。
纳米技术是什么呢？纳米技术是一门专门处理和研究纳米材料的技术，它研究的是在纳米尺度下的物质的性质，并对其使用进行操作和制造。
而在纳米技术中，表面活性剂也是一个重要的研究领域。
那么，表面活性剂在纳米技术中有哪些应用呢？本篇文章将从纳米材料的性质、表面活性剂的作用、纳米技术中表面活性剂的应用三个方面进行探讨。
一、纳米材料的性质在纳米尺度下，由于表面积和界面现象因素的影响，物质的性质和性能都会发生很大的变化。
例如，纳米粒子的比表面积比普通材料更大，电子和离子的运动方式也有所不同，这些都为处理及进行改性提供了很好的基础。
二、表面活性剂的作用表面活性剂是指一类可以吸附在界面上，降低界面张力并改变界面性质的化学物质。
表面活性剂中的两端，一端的亲水性使其能够和水相相容，在水中形成“头”，另一端则是疏水性的，使其能够和油或其他疏水性液体相容，在疏水相中形成“尾”。
表面活性剂具有很好的分散、乳化和表面调节效果，能有效地调节纳米材料的粒径分布和表面性质。
三、纳米技术中表面活性剂的应用1. 纳米颗粒制备通过表面活性剂对纳米粒子进行改性，可以使纳米颗粒更好地分散在溶液中，并且粒径分布更为均匀。
同时，还可以通过调节表面活性剂的种类和用量来精细调控纳米颗粒的形貌和表面性质。
2. 纳米复合材料制备利用表面活性剂对不同的纳米材料进行复合，可以制备出具有良好性能和稳定性的纳米复合材料。
表面活性剂还可以通过改变纳米材料间的相互作用力，提高纳米复合材料的力学性能和导电性能等。
3. 纳米药物制备表面活性剂还可以用于纳米药物制备。
通过控制表面活性剂的存在和用量，可以制备出稳定的纳米药物载体，并且可以将表面活性剂与药物进行结合，提高药物的生物利用度。
总结表面活性剂作为一种重要的界面调节剂，在纳米技术中发挥了重要的作用。
通过表面活性剂的应用，可以使纳米材料更好地进行处理和改性，从而更好地发挥其应用价值。
纳米颗粒表面修饰技术的步骤与材料性能分析方法纳米颗粒是一种具有特殊物理、化学和生物学性质的材料，在纳米科技领域有着广泛的应用。
然而，纳米颗粒的表面性质往往直接影响其应用效果及性能稳定性，因此，通过表面修饰技术来调控纳米颗粒的性质成为一项重要的研究课题。
纳米颗粒表面修饰技术的步骤主要包括以下几个方面：1. 表面活性剂选择：在纳米颗粒表面修饰过程中，选择合适的表面活性剂是关键。
表面活性剂可以吸附在纳米颗粒表面形成一层保护膜，提高其分散度和稳定性。
常用的表面活性剂包括十二烷基硫酸钠 (SDS)、聚乙烯吡咯烷酮 (PVP) 等。
2. 表面修饰方法选择：纳米颗粒表面修饰方法多种多样，包括物理法、化学法和生物法等。
物理法主要采用物理吸附、溶剂分散等方式进行修饰；化学法通过化学反应从而改变纳米颗粒表面的性质；生物法则是利用生物分子进行表面修饰。
不同的修饰方法适用于不同的材料。
3. 表面修饰环境条件控制：表面修饰过程中的环境条件同样重要。
例如，修饰温度、搅拌速度、溶液浓度等因素，都会对纳米颗粒的表面修饰效果产生影响。
合理控制这些环境条件，可以有效改善纳米颗粒的表面性质。
接下来是纳米颗粒表面修饰后的性能分析方法：1. 粒径分析：粒径是纳米颗粒最基本的性能参数之一。
常用的粒径分析方法有动态光散射仪(DLS)和透射电子显微镜(TEM)。
DLS可以测量纳米颗粒的平均粒径和粒径分布；TEM则可以观察纳米颗粒的形貌和大小。
2. 表面形貌分析：纳米颗粒的形貌对其性能具有重要影响。
扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)是常用的表面形貌分析工具。
SEM可以观察到纳米颗粒的表面形貌和形状；AFM则可实现对纳米颗粒三维形貌的观察。
3. 表面化学成分分析：表面化学成分分析帮助了解纳米颗粒的化学性质。
X射线光电子能谱(XPS)和红外光谱(FTIR)是常用的表面化学成分分析方法。
XPS可以定量分析纳米颗粒表面化学元素及其化学键状态；FTIR可用于观察纳米颗粒表面功能基团的吸收峰。
Vol 135No 16化基金项目:河南省杰出青年科学基金项目(No.0312*******);河南省教育厅自然科学基金项目作者简介:王培义(1960-),男,教授,硕士生导师,主要研究方向:精细化学品和功能材料。
表面活性剂在纳米材料形貌调控中的作用及机理研究进展王培义 张晓丽 徐甲强(郑州轻工业学院材料与化工学院,郑州450002)摘 要 介绍了表面活性剂在纳米材料合成中的软模板作用和稳定分散作用,重点综述了利用表面活性剂在溶液中聚集形成的胶团、反胶团、微乳液、囊泡、液晶等各种有序聚集体辅助制备纳米材料的作用机理。
展望了表面活性剂在纳米材料形貌调控中的应用前景。
关键词 纳米材料,形貌调控,表面活性剂,有序聚集体,作用机理Progress in f unction and mechanism of surfactant incontrolling of size and shape of nanomaterialsWang Peiyi Zhang Xiaoli Xu Jiaqiang(College of Material and Chemistry Engineering ,Zheng Zhou University ofLight Indust ry ,Zhengzhou 450002)Abstract The f unction of surfactants in controlling size and shape of nanomaterial particles ,which are template ac 2tion and dispersion property ,were anized surfactant assembles ,including micelles ,reverse micelles ,microe 2mulsion ,surfactant liquid crystal and surfactant vesicles are introduced and their mechanism in assistant formation of nano 2materials are summarized.the direction of research of surfactant in controlling of size and shape of nanomaterials is viewed.K ey w ords nanomaterial ,controlling shape ,surfactant ,organized assemble ,mechanism 在纳米材料研究过程中,只有实现对纳米材料微结构的有效控制,才有可能将其更有效地应用于微电子器件等高科技领域中,因此,纳米材料的形貌控制成为当前材料科学研究的前沿与热点。
[30]黄海鸥，余刚．壳聚糖类絮凝剂及其在水处理中的应用给水排水，1999，25(11)：81[31]施凯，田立英，刘振儒综合治理药厂废水的研究水处理技术，1999，25(1)：54--58表面活性剂在纳米技术中的应用孙国良(中国石化仪征化纤股份有限公司产品技术开发中心仪征21．1900)摘要本文综述了表面活性剂在纳米技术中的应用。
论述了袁面活性剂在液相沉淀法和微乳液法制备纳米材料中的作用和原理。
详细介绍了表面活性剂在纳米复合材料制备中对粘土的有机化处理机理。
并对纳米材料表面处理工艺中表面活性荆应用作了较．g,49N阐述。
关键词表面活性剂；纳米材料“小是美丽的”，纳米材料以其特有的尺寸效应、电子效应、光学效应和双亲双疏效应广泛应用于农业、电子、化工、通信、环保和制药甚至武器制造等领域。
纳米技术正成为继电子技术、生物技术和基因工程之后的又一项可能对人类文明产生深远影响的新产业革命。
表面活性剂具有独特的亲油亲水结构，具有乳化、润滑、洗净、分散、抗静电、杀菌等一系列作用，被誉为“工业味精”。
广泛应用于工农业生产和人类生活的各个方面。
因此从纳米技术诞生伊始，表面活性剂在纳米材料的制备和应用过程中都起着极为重要的作用。
如在纳米材料的制备技术中，利用表面活性剂优良的乳化和表面活性性能，制备微乳液，每一个微乳液囊作为一个微型反应器，从而制备颗粒均匀的纳米粒子。
表面活性荆在纳米技术中的另一个重要作用就是对纳米粒子进行表面处理。
有利于其在其它高分子疏水材料：}r的分散，极大地拓宽了纳米材料的应用领域。
1表面活性剂在纳米材料制备中的应用纳米材料的颗粒尺寸、形貌和晶型的均一性是纳米材料卓越功能的可靠保证，因此在纳米材料的合成过程中，必须有效地控制粒子的粒径大小及分布、粒子的形貌及团聚状态。
表面活性剂的引入成为经济和卓有成效的手段之一。
1．1在液相沉淀法中应用目前合成纳米材料主要有三种：固相法、液相法和气相法。
其中尤以液相沉淀法最为典型也是最主要的的合成方法。
纳米材料在表面活性剂方面的应用摘要：纳米技术已发展成为一门多学科交叉与渗透的新兴学科。
表面活性剂在纳米技术中的应用, 特别是在纳米材料制备中的应用, 日益显示出广泛而深入的应用潜力。
以表面活性剂形成的各种有序聚集体为模板的模板法、用表面活性剂稳定形成的微乳液为介质的微乳法、水热法、溶胶- 凝胶法等[1-3]。
关键词：纳米材料表面活性剂机理分散引言表面活性剂是由性质不同的疏水和亲水部分构成的两亲性分子，由于其两亲分子结构在溶液中产生疏水效应，使表面活性剂分子在一定条件下，可以有序的排列形成各种结构的表面活性剂分子有序组合体。
纳米材料因具有较大的表面能、较难稳定存在、易发生自发的团聚现象而失去其独特的性能。
在合成过程中, 纳米粒子的表面形貌和大小均受其所处环境的影响。
表面活性剂作为稳定剂稳定纳米材料的机理主要是: 静电稳定机制和空间位阻机制。
表面活性剂的这些特性为纳米粒子的合成提供了另外一些合成路径[4]。
一方面, 利用表面活性剂的特性( 如形成胶束、反胶束、微乳液等)为纳米粒子的合成提供了模板法、微乳法、水热法、机械球磨法等方法, 能较好地控制纳米粒子的尺寸; 另一方面, 能较好地降低所合成纳米粒子自发团聚现象, 增加纳米粒子的稳定性本文阐述纳米材料与结构了表面活性剂对纳米材料的分散机理, 并综述了表面活性剂在不同方法制备纳米材料的研究进展[5-6]。
1. 表面活性剂的分散机理1.1 静电稳定机理在粉体悬浮液中加入分散剂,可降低固、液之间的界面张力,有效润湿颗粒. 以水性分散介质为例,分散剂亲油性基团吸附于固体粒子表面,亲水基团为水介质溶剂化,并扩展到水相介质中,由此围绕粒子形成一个带电荷的保护屏障,双层包围粒子, 粒子之间产生静电斥力,使分散体稳定[7]。
1.2 空间位阻稳定机理空间位阻稳定机制通过加入高分子聚合物(分散剂) ,使其一端的官能团与胶体发生吸附,另一端溶剂化链则伸向介质中,形成阻挡层,阻挡胶粒之间的碰撞、聚集和沉降。
1.3 静电位阻稳定机理静电位阻稳定机制也叫电空间稳定,其静电部分来源于粒子表面的静电荷或(和) 与定位聚合物联系的电荷,所用高聚物叫聚电解质. 因为既有双电层稳定机制,又有空间位阻稳定机制,此种稳定效果会更好[8]。
这种联合机制的势能曲线没有第一极小值,双电层在较长距离上提供一较高的位垒,而在小范围内位阻稳定阻止粒子相互接触.。
2.在制备纳米材料研究中的应用随着对表面活性剂研究的深入, 表面活性剂在纳米材料合成中的应用越来越广泛, 根据作用机理的不同, 有模板法、微乳法、水热法、溶胶凝胶法等, 下面介绍表面活性剂在几种纳米材料制备方法中的应用.2.1模板法制备纳米材料随表面活性剂浓度的不同, 胶束有不同的形态。
以表面活性剂分子与纳米材料间的静电吸引力、氢键、范德华力等为驱动力, 利用这些特殊的胶束结构, 对游离的纳米材料的前驱物有效引导,合成出以胶束为模板的纳米材料。
姚兴雄等人[ 5] 用十六烷基三甲基溴化铵( CT AB) 形成的胶束为模板制备了聚苯胺纳米纤维。
实验发现, 不同浓度的CT AB 对所合成的纤维有影响。
在高浓度的溶液中所合成的纤维长度超过了20 m , 直径为100 nm左右。
相比之下, 低浓度表面活性剂溶液中合成的纤维短而细, 直径在60 nm 左右。
主要是因为不同浓度时,表面活性剂的自组装结构不同, 高浓度时, 胶束为层状; 低浓度时, 胶束为圆柱状, 这种空间维度上的差异是导致纤维不同形貌的原因[9-11]。
有机锆醇盐为锆源, 以十二烷基磺酸钠( SDS) 为模板, 制备出具有蠕虫状介孔结构的四方相氧化锆纳米晶。
SDS 是一种较短链长的阴离子表面活性剂, 在有机溶剂中形成反相胶束, 这种反相胶束能够增溶极性分子, 由于种极性内核的限制, 在此模板中制备出了氧化锆纳米晶[12]。
影响模板法制备纳米材料的因素很多, 比如说溶剂的类型、增溶溶剂的量等都对纳米材料的形貌有影响。
另外K. C. SONG 等人[ 9] 以表面活性剂的层状结构为模板, 制备出了层状的T iO2。
2.2 微乳法制备纳米材料乳状液是指一种液体以及小的液滴形式分散在另一种与其不相混溶的液体中形成的多相分散体系。
由于两相的界面面积增大、界面自由能增加,常需要加入乳化剂得到稳定的乳液。
根据分散相或连续相性质不同分类, 常见的乳状液有两种类型,即W/ O 和O/W 型. 微乳液通常由表面活性剂、助表面活性剂,油和水或电解质水溶液组成的透明、各向同性的热力学稳定体系. 它是利用金属盐和一定的沉淀剂形成微乳状液,在较小的微区内控制胶粒成核和生长,热处理得到纳米粒子[13].而且此法制备的粉体单分散性好,团聚趋势小. 但由于粒子的表面包裹一层或几层表面活性剂分子,实际应用时存在如何解除表面所覆盖的表面活性剂分子的问题.潘庆谊研究了阴离子表面活性剂类型及阳离子表面活性剂对纳米SnO2 材料平均晶粒度的影响,得到平均颗粒尺寸< 20nm ,平均晶粒度只有6nm 左右的均分散SnO2.利用的表面活性剂反胶团体系制备出的SiO2超细颗粒明显优于用传统的Stober 制备的分散性[12 ] . 刘小鹤等利用聚乙二醇和聚丙烯酸为稳定剂合成了SiO2 微粉,结果证明以聚乙二醇为稳定剂的情况下,其稳定最好[14]。
2.3 水热法合成纳米材料表面活性剂主要用于辅助水热法合成纳米材料。
以Na2WO4 2H2 O 和CdCl2 为主要原料, 分别在十六烷基三甲基溴化铵( CTAB) 和十二烷基苯磺酸钠( SDBS) 表面活性剂中, 用水热法制备了CdWO4 纳米棒和纳米线。
实验过程中,CT AB 主要作为合成的模板和界面定向吸附剂, 在聚四氟乙烯和正辛醇混合溶液中合成出了CdWO4纳米棒, 对产物TEM 分析可得, CdWO4 纳米棒是沿着[ 100] 方向生长的。
CTA B 在混合溶液中形成胶束, 一方面由于胶束的吸附, CdWO4 的生长被限制在较小的空间范围内, 另一方面, 由于CdWO4 每个晶面的电荷密度不同, 对CTAB 的吸附量不同, CTAB 的加入阻碍了晶面的生长[15]。
电荷密度大的晶面对CT AB 的吸附强, 因此宏观上表现为晶面生长的各向异性, 最终导致CdWO4 纳米棒沿着[ 100] 方向生长。
而在合成过程中加入另一种表面活性剂SDBS 在乙二醇溶液中合成出CdWO4纳米线, 主要利用SDBS 在有机溶液中形成反相胶束作为合成CdWO4 纳米线的软模板。
刘超等人利用CT AB 辅助水热法, 通过控制前驱。
物的浓度、CTAB 的浓度等实验条件, 制备T iO2溶胶。
产品主要以锐钛矿晶型存在, 并沿C 轴定向生长为针状, 直径10~ 15 nm 。
2.4 机械球磨法机械球磨法[14 ] 是通过研磨介质向物料输入机械能,物料在压力和摩擦力的作用下,其直观的变化是颗粒的细化和表面积的增大; 在此分散过程中,表面活性剂的作用可以在制备分散体的各个阶段之中均可发挥作用。
表面活性剂的加入,能使体系的表面状态发生明显的变化,通过对颗粒表面的物理化学作用,从而提高粉磨效率,得到更细、更纯的粉体,即起助磨剂的作用.谭伟等以十二烷基苯磺酸钠、OP - 10 和吐温80 作为氧化铝粉末中的球磨助剂,球磨助剂通过分散、润滑、劈裂等作用强化了球磨效果,缩短了球磨时间[16-17]。
结语由于特殊的分子结构与性能, 表面活性剂在不同条件下可为纳米粒子的合成提供不同的环境, 能比较有效地控制所合成产品的形貌和尺寸大小, 在纳米粉体材料、纳米复合材料及纳米结构材料的合成与制备中正日益得到广泛的应用。
目前表面活性剂在纳米材料领域已经有着广泛的、必不可少的应用。
纳米技术作为一门新兴的科学技术, 也在向表面活性剂行业渗透, 并在与表面活性剂行业的结合中促进自身的发展。
二者的发展是相辅相成的。
纳米材料的研究正方兴未艾, 随着人们对表面活性剂研究的深入, 表面活性剂传统的乳化、分散等功能在纳米材料领域的进一步发挥以及其特殊结构与纳米材料的奇异性能所产生的协同效应, 表面活性剂在纳米材料领域必将发挥更大的作用。
在不久的将来, 纳米材料将大量走入人们的生活, 纳米材料领域作为表面活性剂的一个新兴应用领域, 将为传统的表面活性剂行业注入新的活力。
参考文献[ 1]赵世民. 表面活性剂——原理、合成、测定及应用[ M ] .北京: 中国石化出版社, 2005: 120- 125.[ 2] 王海波, 孙青竹. 表面活性剂在纳米材料制备中的应用[ J] . 佳木斯大学学报( 自然科学版) , 2007, 25 ( 4) : 471- 473.[ 3] 宋彩霞, 王德宝, 古国华, 等. 表面活性剂有序聚集体在纳米材料制备中的应用[ J ] . 材料导报, 2002, 16 ( 9) : 56-59.[ 4] 马建中, 储芸, 高党鸽. 表面活性剂在纳米材料领域中的应用[ J] . 日用化学工业, 2004, 34 ( 6) : 374- 376.[ 5] 姚兴雄, 杨穆. 采用表面活性剂模板制备聚苯胺纳米纤维[ J] . 科技咨询导报, 2007 ( 8) : 10- 13.[ 6] 谈发堂, 乔学亮, 陈建国. 模板法制备纳米片状银粉的粒径与形貌控制[ J] . 材料导报, 2006, 20 ( 4) : 102- 105.[ 7] 王润霞, 张胜义. 低热固相反应表面活性剂模板法制备纳米硒[ J] . 安徽大学学报, 2005, 29 ( 1) : 77- 80.[8] 孟祥才,孙青竹,王海波,等. 聚乙二醇对羟基磷灰石作用的研究[J ] . 佳木斯大学学报(自然科学版) ,2006 ,24 (1) :1 - 3.[9]廖鹏飞,毛萱,汤顺清M等,卵磷脂参与沉淀法制备纳米羟基磷灰石[J ] . 暨南大学学报(自然科学版) 2004 ,25 (1) :72 - 75.[10] 吴建琪,卢迪芬,刘杰. 表面活性剂在陶瓷超细粉体制备中的应用[J ] . 中国陶瓷,1999 ,3 (35) :13 - 25.[ 11] 薛伟, 张敬畅, 王延吉, 等. 利用W/ O 微乳液制备具有规则介孔结构的单分散球形纳米SiO2 [ J] . 石油学报( 石油加工) , 2005, 21 ( 4) : 37- 43.[ 12] XU C K, ZH AO X L, LIU S, et al. Largescal e synthesisof rut il e SnO2 n anorods [ J ] . Solid St at e Com municat ion,2003, 125 ( 6) : 30l- 304.[ 13] 宋平方, 朱启安, 王树峰. 反相微乳液法合成纳米钛酸钡球形颗粒[ J] . 无机化学学报. 2006, 22 ( 2) : 355- 358.[ 14] 陈友存, 张元广. 表面活性剂辅助合成CdWO4 纳米棒和纳米线[ J] . 化学学报, 2006, 64 ( 13) : 1314- 1318.[ 15] 刘超, 赵修建, 刘保顺, 等. 表面活性剂辅助水热合成氧化钛纳米针溶胶[ J] . 无机化学学报, 2007, 23 ( 2) : 357- 360.[ 16] ZH AO Q R, GAO Y, BAI X. Facile synth esi s of S nO2holl ow nanospheres and appl icati on in gas s ens ors an d elec t rocat alyst s [ J] . Eu ropean Journal of Inorganic Chemist ry,2006 ( 8) : 1643- 1648.[ 17] GUO C X, CAO M H, HU C W. A novel and l ow t emperaturehydrothermal synthesis of SnO2 nanorod [ J] . Inorganic Chemis t ry Communicat ion, 2004, 7 ( 7) : 929- 931.。
