化工专业毕业设计(论文)微乳法制备纳米材料研究.doc
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1、目录摘 要1ABSTRACT2引 言31 纳米材料的概述41.1纳米材料的定义41.2纳米材料的制备方法51.2.1机械法51.2.2化学制备方法62 微乳反应器原理72.1微乳液72.2微乳反应器原理82.2.1分别增溶有反应物A、B的微乳液混合82.2.2反应物A的微乳液与反应物B水溶液混合92.2.3反应物A的微乳液与反应物B气体102.3微乳反应器的形成及结构112.3.1微乳液的形成机理112.3.2微乳液的结构113 微乳反应器的应用纳米颗粒材料的制备123.1纳米催化材料的制备123.2聚合物纳粒的制备133.3金属单质和合金的制备133.4无机化合物纳粒的制备143.5磁性氧化
2、物颗粒的制备14结 论15致 谢16参考文献17摘 要本文从纳米粒子制备的角度出发,论述了微乳反应器的原理、形成与结构,并对微乳液在纳米材料制备领域中的应用状况进行了阐述。并简单的对什么是纳米材料,纳米材料的一系列制备方法做了介绍,从而了解到微乳化法相对于其它制备方法的优缺点。关键词: 纳米粒子;微乳液;微乳反应器;纳米材料制备ABSTRACTThis article from the Angle of the nanoparticles preparation, this paper discusses the principle, tiny milk reactor, and the fo
3、rmation and structure of microemulsion in the field of nanometer materials preparation and application condition is discussed in this paper.And simple on what is nano materials, nanometer material of a series of preparation methods were introduced, and to learn to micro emulsion method of preparatio
4、n for other advantages and disadvantages.Keywords: Nanoparticles; Micro emulsion; The milk reactor; Nanometer material preparation引 言纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代,英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年,Nanostructured Materials正式出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非
5、晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。1982年, Boutonmt首先报道了应用微乳液制备出了纳米颗粒:用水合胼或者氢气还原在WO型微乳液水核中的贵金属盐,得到了单分散的Pt,Pd,Ru,Ir金属颗粒(310nm)。从此以后,不断有文献报道用微乳液合成各种纳米粒子。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺
6、寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(Bui1ding Blocks),纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。1 纳米材料的概述1.1纳米材料的定义纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定
7、程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度
8、烧结,而成为良好的烧结促进材料。 一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异的磁性材料。 纳米粒子的粒径(10纳米100纳米)小于光波的长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸收光的黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色,可应用于红外线感测器材料。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然已经初具基础,但是尚在研究之中,新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水
9、平,研究队伍也在日渐壮大。1.2纳米材料的制备方法1.2.1机械法机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料
10、,应用超重力技术制备粒径20nm80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。(1)气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下,利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体,粒径在30nm50 nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以
11、处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下,材料极大程度地发生塑性变形,而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道,82mm的Ge在6GPa准静压力作用后,再经850热处理,纳米结构开始形成,材料由粒径100nm的等轴晶组成,而温度升至900时,晶粒尺寸迅速增大至400nm。 (2)溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子,交换能量或动量,使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变,化合物的成分不易发生变化。目前,溅射技术已经得到了较大的发展,常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体
12、法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶液化合蒸发,蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高,能制备难熔的金属或化合物,产物纯度高,在惰性气氛中,等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。 以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法,这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应,因此,在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。1.2.2化学制备方法(1)溶胶凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含N聚合物组成)
13、在溶液中与H2S反应,生成的ZnS颗粒粒度分布窄,且被均匀包覆于聚合物基体中,粒径范围可控制在2nm-5nm之间。Marcus Jones等以CdO为原料,通过加入Zn(CH3)2和SSi(CH3)32制得了ZnS包裹的CdSe量子点,颗粒平均粒径为3.3nm,量子产率(quantum yield,QY)为13.8%。(2)离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下,离子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang
14、等以BiCl3和硫代乙酰胺为原料,在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3m5m的Bi2S3纳米花。他们认为溶液的pH值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实,这些纳米花由直径60nm80nm的纳米线构成,随老化时间的增加,这些纳米线会从母花上坍塌,最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料,以离子液为反应介质,合成了单晶Bi2S3纳米棒。(3)溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中,通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热,使反应体系形成一个高温高压的环境,从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。Lou等采用单源前驱体BiS
15、2P(OC8H17)23作反应物,用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系Bi2S3纳米棒,且该方法适于大规模生产。Liu等用Bi(NO3)35H2O、NaOH及硫的化合物为原料,甘油和水为溶剂,采用溶剂热法在高压釜中160反应24-72 h制得了长达数毫米的Bi2S3纳米带。(4)微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域,具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年Hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合,可自发地形成一种热力学稳定体系,体系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圆柱形颗粒组成,并将这种体系定名微乳液。自那以后,微乳理论的应用研究得到
16、了迅速发展。微乳法制备纳米材料,由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置,在实际应用中受到了国内外广泛关注。2 微乳反应器原理2.1微乳液微乳液是在较大量的一种或多种两亲性有机物(表面活性剂和助表面活性剂)存在下,不相混溶的两种液体自发形成的各向同性的胶体分散体系。具有热力学稳定、各向同性、外观透明或半透明和质点粒径小(10100)等特点,可将类型广泛的物质增溶到其中某一相,因此,可作为各种反应的介质。其结构类型可分为水包油型、油包水型和双连续型。近年来还开发了含有离子液体或超临界物质的新型微乳体系。制备纳米催化剂所用的微乳体系一般采用油包水型。微乳质点的纳米级尺寸为制备设计大小及形状可控的纳
17、米粒子提供了基本条件。微乳液中的微团体系为动态,质点像分子一样不停地作布朗运动,不同质点碰撞后连接成一体,进行物质交换后在表面活性剂的作用下又自发重新分散,此时,微团内包含的反应物相互混合发生化学反应。体系中的水核可以看作是一种“微反应器”或“纳米反应器”,提供合适的环境控制微粒的成核及生长,在微粒后期的生长过程中,表面活性剂的存在可以有效阻止生成的纳米微粒的团聚。通常,用油包水型微乳液制备纳米级微粒最直接的方法是将含有金属前驱体()和沉淀剂()的两种微乳液混合。如图 所示,和 均溶于水核,通过微乳液水核的相互碰撞,含不同反应物的水核之间进行物质交换,生成产物,产生晶核,然后逐渐长大,形成纳米
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