一文了解无机纳米材料合成技术——模板法


来源:中国粉体网   黑金

[导读]  模板法操作简单、应用条件不苛刻、较易实施,能够定向合成各种形貌和结构的纳米材料,具有较大的应用前景。

中国粉体网讯  无机纳米材料作为一种结构主体主要由无机物质构成的纳米材料,具有众多特殊的物理化学性质,且可以直接通过对材料尺寸、形貌、结构、成分的控制来实现特殊性质的改变,因而在过去数十年里受到了高度关注,并得到迅速发展,广泛应用于环保节能、生物医学、电子技术等众多领域。


常见的制备纳米材料的方法包括物理法和化学法,物理法包括物理粉碎法、物理凝聚法和喷雾法等;化学法包括化学气相沉积法、化学沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和模板法等。其中模板法在无机纳米材料的制备过程中能够有效地控制形貌、粒径和结构,已成为合成无机纳米材料的前沿方法。


何为模板法?


所谓的模板法就是利用具有一定立体结构、形状容易控制的材料作为模板,通过物理、化学或生物的方法使物质原子或离子沉积到模板的孔中或表面,而后移去模板,得到所需要的纳米结构材料的过程,用该方法制作的纳米材料具有与模板孔腔相似的结构特征。


模板法制备纳米材料的关键在于模板剂,其主要通过调控晶体的成核和晶体的长大两个方面来改变产物的结构和形貌。常见的模板剂包括两大类:一是天然的物质如纳米矿物、生物分子、细胞和组织等;二是合成的物质如表面活性剂、多孔材料和纳米颗粒等。基于其结构的差异,一般分为硬模板剂和软模板剂。对此,模板法可以分为硬模板法和软模板法。


硬模板


硬模板主要是指以共价键维持其特定结构,具有相对刚性结构的模板。硬模板法主要是依靠前驱体在预先制备好的刚性模板的纳米级孔道中生长而实现,阳极氧化铝、沸石分子筛、介孔材料、胶态晶体和碳纳米管等都是常用的硬模板材料。



硬模板剂的工作机理


软模板主要是指分子间或分子内的弱相互作用维持其特定结构的模板,如胶束、囊泡、液晶等。软模板法是当模板剂的浓度达到一定值后,可以在溶液中形成胶束,从而引导前驱体的生长,最终生成具有一定形状的纳米结构材料。



软模板剂的工作机理


模板法的应用


近年来,模板法被广泛应用于纳米材料的制备,如使用模板法制备碳纳米材料。Zhang等采用层状介孔二氧化硅密闭自组装方法制备了高品质单层石墨烯;Hong等通过热解聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),以蒙脱石为模板结合镍粒子成功合成出多层石墨烯,并研究发现热解条件如复合材料的组成、反应温度、催化剂大小等是影响最终产物形貌和产率的重要参数;Kim等通过碳化聚苯胺/二氧化硅纳米管复合材料制得氮掺杂的碳纳米管(N-CNTs)。


此外模板法可结合电化学法、气相沉积法和溶胶-凝胶法等技术制备各种纳米复合材料。所制得的材料可应用到生物、化工、环境、能源等领域。


模板法应用中存在的问题


目前模板法也存在一些亟待解决的问题。硬模板法在合成纳米材料过程中,硬模板剂的消除往往会导致部分孔道结构坍塌,影响产物性能;所得产物只有在粒径较小的情况下,才表现出有序性;原料部分填充,使得产物在孔道里不连续出现结构缺陷;模板材料的来源有限,制约着硬模板法的广泛使用。 


软模板法在合成纳米材料过程中,软模板剂的稳定性差易受合成体系的影响,故对合成体系有一定的要求;软模板剂要跟前驱体有较强的相互作用,才能形成有序的介观结构,且所需的前驱体自身要能够聚合形成一定机械强度的高分子骨架结构,以保证在模板剂的去除后,骨架结构不会坍塌。


综合而言,模板法操作简单、应用条件不苛刻、较易实施,能够定向合成各种形貌和结构的纳米材料,具有较大的应用前景。 


参考资料:

李磊等.模板法制备无机纳米材料的研究进展

刘盈盈.纳米孔无机材料模板法制备一维和二维碳纳米材料的硏究

任斌.基于碳球模板法的功能型纳米材料的合成与应用


(中国粉体网编辑整理/黑金)

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