一維氧化物納米材料的合成及應(yīng)用

1. 一維氧化物納米材料的合成方法

一維氧化物納米材料的合成方法目前應(yīng)用較多的有模板法、化學(xué)氣相沉積(CVD)、水熱與溶劑熱法及微乳液法等。

1.1模板法。模板法是最常用的合成納米材料的方法之一，被廣泛地用來合成各種各樣的納米粒子、納米棒、納米線、納米管等。模板法是將單體、聚合物溶液或熔體引入模板的納米孔洞中，通過化學(xué)或物理方法得到結(jié)構(gòu)規(guī)整，排列整齊的聚合物一維納米材料。模板法因其具有孔徑可調(diào)、形狀可控并可有效地防止納米材料的團(tuán)聚等優(yōu)點(diǎn)而成為非常實(shí)用的合成方法。

1.2 化學(xué)氣相沉積（CVD）。化學(xué)氣相沉積是在一定的氣流條件下，加熱前驅(qū)體粉末使之與氣體發(fā)生反應(yīng)或者原料在高溫下形成蒸汽或原料本身就是氣態(tài)，在低溫時(shí)氣相分子凝聚，達(dá)到臨界尺寸后，成核并生長(zhǎng)成一維納米材料。不同晶體結(jié)構(gòu)的材料都可以在一定條件下形成一維納米結(jié)構(gòu)。金屬氧化物被放置在氧化鋁管中，然后將氧化鋁管放置在管式爐內(nèi)，汽化的溫度取決于氧化物的熔點(diǎn)，這樣得到的產(chǎn)物都顯示了線狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度可達(dá)幾百微米甚至幾毫米。這種方法已較廣泛地應(yīng)用于金屬氧化物的合成。

1.3 水熱和溶劑熱法。水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器(高壓釜)里，采用水溶液作為介質(zhì)，通過對(duì)反應(yīng)容器加熱，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶。水熱法的原理是在水熱的條件下加速離子反應(yīng)和促進(jìn)水解反應(yīng)，使一些在常溫常壓下反應(yīng)速度很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下可實(shí)現(xiàn)反應(yīng)快速化。清華大學(xué)的李亞棟教授和他的合作者通過一種新穎的水熱還原反應(yīng)制備出了MnO2納米線。

溶劑熱法，是在水熱法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的材料制備方法，將水熱法中的水換成有機(jī)溶劑或非水溶媒(有機(jī)胺、醇、氨、四氯化碳或苯等)，采用類似于水熱法的原理，可以制備在水溶液中無法長(zhǎng)成、易氧化、易水解或?qū)λ舾械牟牧希纰?Ⅴ族半導(dǎo)體化合物、氮化物、硫族化物。

1.4微乳液法。微乳液是一種高度分散的間隔化液體，水或油在表面活性劑的作用下以極小的液滴形式分散在油或水中，形成透明的、熱力學(xué)穩(wěn)定的有序的組合體。其特點(diǎn)是質(zhì)點(diǎn)大小或聚集分子層的厚度為納米量級(jí)，分布均勻，為納米材料的制備提供了有效的模板或微反應(yīng)器。目前，微乳液法也是制備一維氧化物納米材料的有效方法。用微乳液法已經(jīng)制備出了ZnO、MgO、Sb2O3和Sb2O5等一系列氧化物納米材料。

其他方法如一步固相反應(yīng)法、溶膠-凝膠法、電弧放電法、碳熱還原法、氧化反應(yīng)合成法等，因?yàn)樗鼈儾皇且痪S氧化物納米材料合成的主要方法，所以這里不詳細(xì)介紹。

2. 一維氧化物納米材料的應(yīng)用

一維氧化物納米材料在光學(xué)材料、復(fù)合材料、傳感器、催化劑等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 光電器件。一維納米材料存在顯著的量子尺寸效應(yīng)，特有的光吸收、光發(fā)射、光學(xué)非線性性質(zhì)，使其在非線性光學(xué)儀器、分子器件、光電器件、新型電子器件以及半導(dǎo)體技術(shù)等方面有廣泛應(yīng)用。納米陣列體系的電導(dǎo)比同種塊狀材料高，有可能作為微電子元件，作為大規(guī)模集成電路的接線頭。利用非晶SiO2 納米線的穩(wěn)定強(qiáng)藍(lán)光發(fā)射，有望在近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微鏡的高分辨光學(xué)鏡頭和光學(xué)器件的連接上得到應(yīng)用。

2.2 傳感器。一維納米材料對(duì)表面吸附非常敏感。當(dāng)外界環(huán)境(溫度、光、濕度) 等因素改變時(shí)會(huì)迅速引起界面離子輸運(yùn)的變化，利用其電阻的顯著變化可制作成響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良的傳感器。2002年王中林等人利用SnO2半導(dǎo)體納米帶做成了高靈敏度的氣體傳感器。

2.3 催化劑。TiO2的重要應(yīng)用是作為光催化劑催化降解有機(jī)物大分子，而TiO2納米線具有更大的表面積，分解有機(jī)物的速度將會(huì)增加，這意味著催化速度的加快。最近，Cu2O作為一種新的光響應(yīng)型催化劑也得到了廣泛研究。

2.4 鋰離子電池及激光器。MnO2 納米纖維、V2O5 納米管等一維納米材料作鋰離子電池的正極和負(fù)極材料的實(shí)驗(yàn)研究表明，它們具有充放電容量高、循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)，預(yù)計(jì)在未來的新型電池研究和開發(fā)中會(huì)發(fā)揮更大的作用。M. H. Huang 等人利用ZnO的納米線陣列成功制備了納米激光器，他們采用高溫氣相簡(jiǎn)單蒸發(fā)的方法在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)出直徑為20～150nm、長(zhǎng)約10μm的ZnO納米線陣列，這些納米線自然形成良好的激光器共振腔，此時(shí)采用另一激光器來激發(fā)納米線迫使其中的激子相互碰撞可發(fā)射出波長(zhǎng)半峰寬只有17nm的激光。納米線激光器成為理想的小型化激光源，將在光計(jì)算、信息存儲(chǔ)和微觀分析等方面有廣泛應(yīng)用。

3. 前景與展望

一維納米材料的合成、組裝雖然起步不久，但已取得很多非常有意義的研究成果。隨著一維納米材料生成機(jī)制的深入理解，新穎一維納米材料的不斷發(fā)現(xiàn)，特別是可控合成方法的完善及其組裝測(cè)量技術(shù)的不斷成熟，一維納米材料的各種奇異性質(zhì)和功能必將得到更充分發(fā)揮、利用。對(duì)一維體系的深入研究，極有可能成為實(shí)現(xiàn)納米器件集成的突破口。但同時(shí)，這一領(lǐng)域的研究從制備到性能測(cè)量都還存在許多尚未解決的問題。如合成中如何實(shí)現(xiàn)一維納米材料的結(jié)構(gòu)與組成、形貌與尺寸的有效控制等問題，依然是限制一維納米材料研究與發(fā)展的關(guān)鍵，需要物理、化學(xué)、材料科學(xué)等多學(xué)科研究人員的通力合作才可能獲得突破。