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納米材料是怎么制成的？

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2023-06-08 09:28

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納米材料是支撐現(xiàn)代科技發(fā)展的決定性因素之一，是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸(0.1-100 nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。其應(yīng)用之廣泛，幾乎涉及到醫(yī)食住行各個方面，包括納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。液相合成法是制備納米材料的一種有效途徑。方法簡單、條件溫和、低成本、低污染，并且能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)物的純度、形貌及粒徑。

水熱法是19 世紀中葉地質(zhì)學家模擬自然界成礦作用而開始研究的。1900 年后科學家們建立了水熱合成理論，以后又開始轉(zhuǎn)向功能材料的研究。水熱法又稱熱液法，屬液相化學法的范疇。是指在特制的密閉反應(yīng)器（高壓釜）中，采用水溶液作為反應(yīng)體系，通過對反應(yīng)體系的溫度控制，在反應(yīng)釜中產(chǎn)生一個高溫、高壓的環(huán)境用來制備、合成無機材料的一種有效方法。水熱反應(yīng)依據(jù)反應(yīng)類型的不同可分為水熱氧化、水熱還原、水熱沉淀、水熱合成、水熱水解、水熱結(jié)晶等。其中水熱結(jié)晶用得較多。水熱技術(shù)具有兩個特點，一是其相對低的溫度，二是反應(yīng)在密閉容器中進行，避免了組分揮發(fā)。在水熱法中，由于處于高溫高壓狀態(tài)，溶劑水處于臨界或超臨界狀態(tài)，反應(yīng)活性提升，水在合成反應(yīng)中起到兩個方面的作用：壓力的傳媒劑和化學反應(yīng)的介質(zhì)。高壓下，絕大多數(shù)反應(yīng)物均能完全（或部分）溶解于水，可使反應(yīng)在接近均相中進行，從而加快反應(yīng)的進行。在這一過程中，溫度、壓力、溶液濃度等參量之間互相影響、相互制約，對樣品的形態(tài)有極大影響。因此，只有嚴格、準確地控制樣品制備過程中的各項條件，才可能制備出具有特定形貌的納米樣品。

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水熱法引起人們廣泛關(guān)注的主要原因是：（1）水熱法采用中溫液相控制，能耗相對較低，適用性廣，既可用于超微粒子的制備，也可得到尺寸較大的單晶，還可以制備無機陶瓷薄膜。（2）原料相對廉價易得，反應(yīng)在液相快速對流中進行，產(chǎn)率高、物相均勻、純度高、結(jié)晶良好，并且形狀、大小可控。（3）在水熱過程中，可通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度、壓力、熱處理時間、溶液成分、pH值、前驅(qū)物和礦化劑的種類等因素，來達到有效地控制反應(yīng)和晶體生長特性的目的。（4）反應(yīng)在密閉的容器中進行，可控制反應(yīng)氣氛而形成合適的氧化還原反應(yīng)條件，可獲得某些特殊的物相，尤其有利于有毒體系中的合成反應(yīng)，這樣可以盡可能地減少環(huán)境污染。由于水熱過程中制備出的納米微粒通常具有物相均勻、純度高、晶形好、單分散、形狀以及尺寸大小可控等特點，水熱技術(shù)己被廣泛地應(yīng)用于納米材料的制備。但是水熱法也有其嚴重的局限性，明顯的一個缺點是，該法往往只適用于氧化物或少數(shù)對水不敏感的硫化物的制備，而對其他一些對水敏感的化合物的制備不適用。在這種背景下，人們又發(fā)展出了溶劑熱技術(shù)。

溶劑熱合成技術(shù)在原理上，與水熱法十分相似，以有機溶劑代替水，大大拓寬了水熱法的應(yīng)用范圍，是水熱法的發(fā)展。非水溶劑同時也起到傳遞壓力、媒介和礦化劑的作用。溶劑熱合成具有一些其它方法無法取代的獨特優(yōu)點。首先，溶劑熱合成可以有效地杜絕前驅(qū)物、產(chǎn)物的水解和氧化，有利于合成反應(yīng)的順利進行。其次，溶劑熱體系是實現(xiàn)材料形狀控制的重要手段，溶劑熱體系的低溫、高壓、溶液條件，有利于生成具有晶型規(guī)則取向的晶體，且合成產(chǎn)物的純度高。通過選擇和控制反應(yīng)溫度和溶劑可制得不同粒徑的納米材料，尤其是當在溶劑熱體系中輔佐以高分子、表面活性劑等手段，對材料的形狀具有有效的控制作用。再次，溶劑熱是實現(xiàn)特殊物相合成的重要方法，在溶劑熱體系中反應(yīng)物處于分子或膠體分子狀態(tài)，反應(yīng)活性高，可替代某些固相反應(yīng)，促進低溫和軟化化學的發(fā)展，實現(xiàn)一些新的化學反應(yīng)，并且由于體系化學環(huán)境不同，可能形成在常規(guī)條件下無法獲得的亞穩(wěn)相產(chǎn)物。

水熱溶劑熱條件下，影響產(chǎn)物形貌的主要因素有：（1）溶劑的性質(zhì)：主要包括溶劑的粘度、與金屬的配位能力、對鹽和金屬的溶解能力、酸堿性等。研究表明，溶劑的強配位能力對于合成一維納米晶材料是關(guān)鍵的，溶劑配位能力不僅影響產(chǎn)物形貌，而且還影響反應(yīng)活性和物相。因而選擇適當?shù)娜軇?，有助于介穩(wěn)相的合成。另外，如果不存在配位溶劑，但反應(yīng)物中存在有配位能力的物質(zhì)的話，同樣也可能形成一維形貌的材料。（2）溫度的影響：一般而言，溫度升高，納米粒子的尺寸會增大。反應(yīng)溫度不僅影響反應(yīng)動力學，而且導致產(chǎn)物相轉(zhuǎn)變。（3）模板作用：通常所說的模板合成法中的模板屬于硬模板，主要是利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙進行納米材料合成，結(jié)構(gòu)基質(zhì)包括玻璃、分子篩、大分子離子交換樹脂和聚合物等，但同時也經(jīng)常使用軟模板。在水熱條件下，兩種模板都比較有效。比如多胺被認為是合成一維納米晶的軟模板。除了上述的主要影響因素外，其它如反應(yīng)時間、pH值、催化劑和反應(yīng)物比例等因素同樣也會影響材料的制備。

由此可見，水熱法和熔解熱法在無機納米晶的合成領(lǐng)域具有廣泛的適用性。由于反應(yīng)在密閉容器中進行，避免了反應(yīng)過程中有毒物質(zhì)的散發(fā)，反應(yīng)過程較為簡單且具有良好的可重復性。總之，該技術(shù)是應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求而誕生的，隨著其自身的發(fā)展又極大地促進了其它科學和技術(shù)的進步；它作為一種簡便的納米合成技術(shù)必將得到更大的發(fā)展。

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氧化鋅脫硫劑在飼料添加劑中的應(yīng)用優(yōu)勢解析

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