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1、纳米粉体的制备 材料的开发与应用在人类社会进步上起了极为关键的作用。人类文明史上的石器时代、铜器朝代、铁器时代的划分就是以所用材料命名的。材料与能源、信息为当代技术的三大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不一材料技术的支持。江泽民主席在接见青年材料科学家时指出：“材料是人类文明的物质基础”，又一次强调了材料研究的重要性。纳米材料指的是颗粒尺寸为1100nm的粒子组成的新型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家就开始对直径为1100nm的粒子的
2、体系进行研究。真正有意识地研究纳米粒子可追溯到30年代的日本，当时为了军事需要而开展了“沉烟试验”，但受到实验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成世界上第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒，对其形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳米铁粒子1，在真空下原位压制成纳米固体材料，使纳米材料研究成为材料科学中的热点。国际上发达国家对这一新的纳米材料研究领域极为重视，日本的纳米材料的研究经历了二个七年计划，已形成二个纳米材料研究制
3、备中心。德国也在Ausburg建立了纳米材料制备中心，发展纳米复合材料和金属氧化物纳米材料。1992年，美国将纳米材料列入“先进材料与加工总统计划”，将用于此项目的研究经费增加10，增加资金1.63亿美元。美国Illinois大学和纳米技术公司建立了纳米材料制备基地。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。在纳米制备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用前景发展得较快。1. 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、沉淀转化法、直接沉淀法2
4、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BaTiO33-5、PbTiO36等PZT系电子陶瓷及ZrO27,8等粉体。以CrO2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BaTiO3等。以Ni(NO3)26H2O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
5、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NH4OH，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Nd2(CO3)318,19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100C，因此可用高温强制水解反应制备纳米颗粒20。例如Zn(HAC)22H2O溶于一缩二乙醇(DEG)，于100-220C 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)
6、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)23H2O、Ni(NO3)26H2O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(
7、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Cu33、Ni、Co34、Pd、Ag35-37。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
8、烷酮)为高分子保护剂，制得单分散球形Au粉。如将Co(CH3COO)24H2O、Cu(CH3COO)2H2O溶于或悬浮于定量乙二醇中，于180-190C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-Ni0.33Fe0.6638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、
9、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BaTiO347-51，粒径小于100nm的PbTiO352、粒径在80-300nm的AlTiO5
10、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1000C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100200nm59，比以Si(OC2H5)4、C6H5Si(OC2H5)3为原料制备的SiC粉末成本低60。以SnCl45H2O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
11、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ZrOCl28H2O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
12、相SnO264-66。以SnCl45H2O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80160nm棒状Fe3O4和80nm板状Fe3O469，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
13、制备6nmZnS72,73。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250C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30nmGaN76。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
14、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160C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200C的情况下，硝酸盐分解制备10nm的
15、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900C-1100C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，Ir84Au,Ag,Cu等83；(2)硫化物CdS，PbS，CuS等；
