文档视界 最新最全的文档下载
当前位置:文档视界 > 纳米粉末的制备方法

纳米粉末的制备方法

. 化学制备法

1.1 化学沉淀法

沉淀法主要包括共沉淀法、均匀沉淀法、多元醇为介质的沉淀法、沉淀转化化、直接沉淀法[2]等。

1.11共沉淀法

在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂,使金属离子完全沉淀的方法称为共

沉淀法。共沉淀法可制备BaTiO

3[3-5]、PbTiO

3

[6]等PZT系电子陶瓷及ZrO

2

[7,8]等粉体。

以CrO

2为晶种的草酸沉淀法,制备了La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物[9]及掺杂BaTiO

3

等。以Ni(NO

3)

2

·6H

2

O溶液为原料、乙二胺为络合剂,NaOH为沉淀剂,制得Ni(OH)2

超微粉,经热处理后得到NiO超微粉[10]。

与传统的固相反应法相比,共沉淀法可避免引入对材料性能不利的有害杂质[11],生成的粉末具有较高的化学均匀性,粒度较细,颗粒尺寸分布较窄且具有一定形貌。

1.12均匀沉淀法

在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质,使溶液中的沉淀均匀出现,称为均匀沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。

本法多数在金属盐溶液中采用尿素热分解生成沉淀剂NH

4

OH,促使沉淀均匀生

成。制备的粉体有Al、Zr、Fe、Sn的氢氧化物[12-17]及Nd

2(CO

3

)

3

[18,19]等。

1.13多元醇沉淀法

许多无机化合物可溶于多元醇,由于多元醇具有较高的沸点,可大于100°C,因此可用高温强制水解反应制备纳米颗粒[20]。例如Zn(HAC)2·2H2O溶于一缩二乙醇(DEG),于100-220°C 下强制水解可制得单分散球形ZnO纳米粒子。又如使酸化的FeCl3---乙二醇---水体系强制水解可制得均匀的Fe(III)氧化物胶粒[21]。

1.14沉淀转化法

本法依据化合物之间溶解度的不同,通过改变沉淀转化剂的浓度、转化温度以及表面活性剂来控制颗粒生长和防止颗粒团聚。例如:以Cu(NO3)2·3H2O、Ni(NO3)2·6H2O为原料,分别以Na2CO3、NaC2O4为沉淀剂,加入一定量表面活性剂,加热搅拌,分别以NaC2O3、NaOH为沉淀转化剂,可制得CuO、Ni(OH)2、NiO超细粉末[22]。

该法工艺流程短,操作简便,但制备的化合物仅局限于少数金属氧化物和氢氧化物[23]。

1.2化学还原法

1.21水溶液还原法

采用水合肼、葡萄糖、硼氢化钠(钾)等还原剂,在水溶液中制备超细金属粉末或非晶合金粉末,并利用高分子保护PVP(剂聚乙烯基吡咯烷酮)阻止颗炷团聚及减小晶粒尺寸[24-26]。用水溶液还原法以KBH4作还原剂制得

Fe-Co-B(10-100nm)[27]、Fe-B(400nm)、Ni-P非晶合金[28-32]。

溶液还原法优点是获得的粒子分散性好,颗粒形状基本呈球形,过程也可控制。

1.22多元醇还原法

最近,多元醇还原法已被发展于合成细的金属粒子Cu[33]、Ni、Co[34]、Pd、Ag[35-37]。该工艺主要利用金属盐可溶于或悬浮于乙二醇(EG)、一缩二乙二醇

(DEG)等醇中,当加热到醇的沸点时,与多元醇发生还原反应,生成金属沉淀物,通过控制反应温度或引入外界成核剂,可得到纳米级粒子。

以HAuCl4为原料,PVP(聚乙烯基吡咯烷酮)为高分子保护剂,制得单分散球形Au粉。如将Co(CH3COO)2·4H2O、Cu(CH3COO)2·H2O溶于或悬浮于定量乙二醇中,于180-190°C下回流2小时,可得CoxCu100-x(x=4-49)高矫顽力磁性微粉,在高密度磁性记录上具有潜在的应用前景。

1.23气相还原法

本法也是制备微粉的常用方法。例如,用15%H2-85%Ar还原金属复合氧化物制备出粒径小于35nm的CuRh,g-Ni0.33Fe0.66[38]等。

1.24碳热还原法

碳热还原法的基本原理是以炭黑、SiO2为原料,在高温炉内氮气保护下,进行碳热还原反应获得微粉,通过控制其工艺条件可获得不同产物。目前研究较多的是Si3N4、SiC粉体及SiC- Si3N4复合粉体的制备[39-41]。

1.3溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备[1,42]。前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶,再制成凝胶,经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。例如,Culliver等[43]用醇盐水解制备了平均粒径2-3nm的SnO2粒子。

在制备氧化物时,复合醇盐常被用作前驱物。在Ti或其它醇盐的乙醇溶液中[44-46],以醇盐或其它盐引入第二种金属离子(如Ba、Pb、Al),可制得复合氧化物,如粒径小于15nm的BaTiO3[47-51],粒径小于100nm的PbTiO3[52]、粒径在80-300nm的AlTiO5[53]。La1-xSrxFeO3复合氧化物纳米晶系列[54-57]也被合成出来。

溶胶-凝胶法可以大大降低合成温度。制(BaPb)TiO3用固相反应需1000°C 左右,易使组分Pb挥发。用溶胶-凝胶技术温度较低[58],粉末表面积为50m2/g,粒径尺寸控制在纳米级。

用无机盐作原料,价格相对便宜。如以硅溶胶和炭黑为原料合成高纯b·SiC 粉末,降低了反应温度,产物粒径在100-200nm[59],比以Si(OC2H5)4、

C6H5Si(OC2H5)3为原料制备的SiC粉末成本低[60]。以SnCl4·5H2O水解制备出粒径为2-3nm SnO2粉体[61]。

1.4水热法

水热法[62]是在高压釜里的高温、高压反应环境中,采用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解,反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点,一是其相对低的温度,二是在封闭容器中进行,避免了组分挥发。水热条件下粉体的制备有水热结晶法、水热合成法、水热分解法、水热脱水法、水热氧化法、水热还原法等。近年来还发展出电化学热法以及微波水热合成法。前者将水热法与电场相结合,而后者用微波加热水热反应体系。与一般湿化学法相比较,水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体,不需作高温灼烧处理,避免了可能形成的粉体硬团聚。以ZrOCl2·8H2O和YCl3作为反应前驱物制备6nm ZrO2粒子[63]。用金属Sn粉溶于HNO3形成a- H2SnO3溶胶,水热处理制得分散均匀的5nm四方相SnO2[64-66]。以SnCl4·5H2O前驱物水热合成出2-6 SnO2粒子。

水热过程中通过实验条件的调节控制纳米颗粒的晶体结构、结晶形态与晶粒纯度。利用金属Ti粉能溶解于H2O2的碱性溶液生成Ti的过氧化物溶剂(TiO42-)的性质,在不同的介质中进行水热处理,制备出不同晶型、九种形状的TiO2纳

米粉[67,68]。

以FeCl3为原料,加入适量金属粉,进行水热还原,分别用尿素和氨水作沉淀剂,水热制备出80*160nm棒状Fe3O4和80nm板状Fe3O4[69],类似的反应制备出30nm球状NiFe2O4及30nm ZnFe2O4纳米粉末[70,71]。

在水中稳定的化合物和金属也能用此技术制备。用水热法制备

6nmZnS[72,73]。水热晶化有仅能提高产物的晶化程度,而且有效地防止纳米硫化物的氧化。

1.5溶剂热合成法

用有机溶剂代替水作介质,采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替水,不仅扩大了水热技术的应用范围,而且能够实现通常条件下无法实现的反应,包括制备具有亚稳态结构的材料[74]。

Masashi Inoue等报道了250°C下乙二醇体系中,对勃姆石进行加压脱水制得a-Al2O3微粉[75]。

苯由于其稳定的共轭结构,是溶剂热合成的优良溶剂,最近成功地发展成苯热合成技术,首先用来制备成30nmGaN[76]。具体反应是

GaCl3+Li3N·GaN+3LiCl。纳米GaN除了大部分的六方相外,还含有少量的岩盐型GaN,可见溶剂加压热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高压下才能存在的亚稳相。并用高分辨电镜对GaN 进行了物相分析[77]。

聚醚类溶剂是制备纳米InP的优选溶剂,在聚醚体系中于160°C制备出纳米InP材料[78,79]。IIIA族卤化物由于IIIA族金属离子的Lewis酸性一般是以二聚体形式存在,能够打开这些卤化物的二聚体结构,形成离子配合物,这样可使得尺寸控制在10nm左右。

1.6热分解法

在间硝基苯甲酸稀土配合物的热分解中,由于含有NO2基团,其分解反应极为迅速,使产物粒子来不及长大,得到纳米微粉[80]。

在低于200°C的情况下,硝酸盐分解制备10nm的Fe2O3,碳酸盐分解制备14nm的ZrO2。BH-4还原Ti4+然后使产物Ti(BH4)2热分解已被广泛用制备各种金属硼化物,如NaBH4和TiCl4还原制备TiB2纳米颗粒[81]。前驱物Ti(BH4)粒子分解形成无定形TiB2,经900°C-1100°C烧结,最终产物TiB2粒径为100nm。与碳热还原Ti醇盐制备TiB2的方法相比较,它具有更小的粒子尺寸。由于只使用普通反应体系和简单设备,它更易于进行规模生产。

1.7微乳液法

微乳液通常是有表面活性剂、助表面活性剂(通常为醇类)、油类(通常为碳氢化合物)组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液中,微小的“水池”为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒,其大小在几至几十个纳米间,这些微小的“水池”彼此分离,就是“微反应器”。它拥有很大的界面,有利于化学反应[82,83]。这显然是制备纳米材料的又一有效技术。

与其它化学法相比,微乳法制备的粒子不易聚结,大小可控,分散性好。运用微乳法制备的纳米微粒主要有以下几类:(1)金属,如Pt,Pd,Rh,

Ir[84]Au,Ag,Cu等[83];(2)硫化物CdS,PbS,CuS等;(3)Ni, Co, Fe等与B 的化合物[85];(4)氯化物AgCl,AuCl3等[86,87];(5)碱土金属碳酸盐,如CaCO3[88],BaCO3,SrCO3[89];(6)氧化物Eu2O3[90],Fe2O3,Bi2O3[91]及氢

氧化物Al(OH3)[92-95]等。

1.8高温燃烧合成法

利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应,体系局部发生反应形成化学反应前

沿(燃烧波),化学反应在自身放出热量的支持下快速进行,燃烧波蔓延整个体系。反应热使前驱物快速分解,导致大量气体放出,避免了前驱物因熔融而粘连,减小了产物的粒径。体系在瞬间达到几千度的高温,可使挥发性杂质蒸发除去。例如,以硝酸盐和有机燃料经氧化还原反应制备Y掺杂的10nmZrO2粒子[96],采用柠檬酸盐/醋酸盐/硝酸盐体系,所形成的凝胶在加热过程中经历自点燃过程,得到超微La0.84Sr0.16MnO3粒子[97]。在合成氮化物、氢化物时,反应物为固态金属和气态N2、H2等,反应气渗透到金属压坯空隙中进行反应。如采用钛粉坯在N2中燃烧,获得的高温来点燃镁粉坯合成出Mg3N2[98]。

1.9模板合成法

利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂等。例如将纳米微粒置于分子筛的笼中,可以得到尺寸均匀,在空间具有周期性构型的纳米材料。Herron[99]等Na-Y将型沸石与Cd(NO3)溶液混合,离子交换后形成Cd-Y型沸石,经干燥后与N2S气体反应,在分子筛八面体沸石笼中生成CdS超微粒子。南京大学采用气体输运将C60引入13X分子筛与水滑石分子层间[100,101],并可以将Ni置换到Y型沸石中去,观察到C60Y 光致光谱由于Ni的掺入而产生蓝移现象。

1.10电解法

此法包括水溶液电解和熔盐电解两种。用此法可制得很多用通常方法不能制备或难以制备的金属超微粉,尤其是负电性很大的金属粉末。还可制备氧化物超微粉。采用加有机溶剂于电解液中的滚筒阴极电解法,制备出金属超微粉。滚筒置于两液相交界处,跨于两液相之中。当滚筒在水溶液中时,金属在其上面析出,而转动到有机液中时,金属析出停止,而且已析出之金属被有机溶液涂覆。当再转动到水溶液中时,又有金属析出,但此次析出之金属与上次析出之金属间因有机膜阻隔而不能联结在一起,仅以超微粉体形式析出。用这种方法得到的粉末纯度高,粒径细,而且成本低,适于扩大和工业生产。

回答人的补充 2009-12-01 22:19

2.化学物理合成法

2.1喷雾法

2.11喷雾干燥法

2.12喷雾热解法

2.13喷雾水解法

2.2化学气相沉淀法

2.3爆炸反应法

2.4冷冻-干燥法

2.5反应性球磨法

2.6超临界流体干燥法

2.7g射线辐照还原法

2.8微波辐照法

2.9紫外红外光辐照分解法

3.4机械球磨法

3.5离子注入法

相关文档
  • 纳米粉体的制备方法

  • 纳米粉末制备技术

  • 纳米粉体材料的制备

  • 制备纳米钛酸钡粉体