納米多孔金屬材料的研究現(xiàn)狀及主要制備方法

程芳芳

（呂梁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 孝義 032300）

1 納米多孔金屬材料簡介

納米多孔金屬是一種納米級別的金屬薄膜材料，具有三維多孔結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)代生活多領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。自從20世紀(jì)20年代美國工程師M.Raney發(fā)現(xiàn)雷尼鎳以來，多孔金屬就引起了全世界科學(xué)家的關(guān)注。Raney鎳是第一代多孔金屬材料，它是由NaOH處理的鎳和硅的混合物或者鎳和鋁的比例為1:1形成的多孔鎳結(jié)構(gòu)，其中硅和鋁被腐蝕。第一代鎳，曾經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，吸引了來自工業(yè)和研究領(lǐng)域的人們的關(guān)注，具有優(yōu)異的催化活性[1-3]（普通鎳的催化活性的五倍）。

2 納米多孔金屬材料的研究現(xiàn)狀與進展

納米多孔金屬是一種具有與其他金屬材料結(jié)構(gòu)不同的結(jié)構(gòu)納米材料。近幾年來，因為它不同于其他金屬材料的結(jié)構(gòu)特性，在很多的方面得到了很大的應(yīng)用。納米多孔金屬結(jié)構(gòu)，是由金屬結(jié)構(gòu)和納米材料大小的小孔組成，它有一些功能是金屬材料的一些基本性能[4，5]。納米多孔金屬是一種特別的金屬材料的一種納米級宏觀材料，它的形狀差不多跟塊狀一樣。它的表面特征是：里面有許多納米孔一個連著一個，和金屬結(jié)構(gòu)的微觀大小。但雖然它是一種納米結(jié)構(gòu)的差不多像是塊狀金屬材料一樣的。然而，小尺寸效應(yīng)以及表面效應(yīng)對于小孔邊上和小孔的大小效應(yīng)都有著相同的地方。作為量子的大小并且對其它研究人員對納米材料的量子隧穿效應(yīng)，以及宏觀量子隧穿效應(yīng)的研究，給出了材料在磁場和光場中的特殊性質(zhì)。因此，納米多孔金屬材料具有很多的優(yōu)點比如重量很小、應(yīng)用原料也很少等優(yōu)點。它們在催化領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[6，7]。

目前，多孔金屬材料的應(yīng)用不僅滿足二元合金體系的制備，而且還利用其內(nèi)部多孔結(jié)構(gòu)來加載其他材料，以實現(xiàn)一定的功能應(yīng)用。例如，通過使用納米多孔金的吸附功能，可以通過測量整個系統(tǒng)的電阻率變化來檢測特定的組分；通過高表面積負(fù)荷，藥物顆粒可以制成藥物載體，雙折射膜；利用其結(jié)構(gòu)特點制備催化劑活性和催化劑等[8]；納米金屬材料還可以做為傳感器提供更多的分析數(shù)據(jù)[9-11]；在電容器中，它還可以提高電極的性能。在材料中也有連接或閉合的納米孔，這使得材料具有大的表面積和高的表面能和高的活性。它可應(yīng)用于基于材料本身的催化領(lǐng)域，或在醫(yī)藥、光學(xué)、電力等領(lǐng)域。它的密度使得光的應(yīng)用成為可能。此外，納米金屬的孔徑和結(jié)構(gòu)可以通過工藝條件來實現(xiàn)，考慮納米結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)、體積、表面、量子大小等的效應(yīng)以及介電約束等[4]，納米多孔材料是最有前途的材料之一。

3 納米多孔金屬的制備方法

金屬在自然界中的腐蝕通常會造成材料的損傷，例如鋼鐵，我們經(jīng)常在生活中遇到的，這實際上是由金屬在大自然中被大氣慢慢的腐蝕而引起的。在過去的幾年里，如何使用各種方法防止金屬腐蝕這一項研究是許多熱愛研究的科學(xué)家們來作為最重要的研究方向。自從20世紀(jì)到現(xiàn)在，人們開始關(guān)注于腐蝕產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)的形成機制。幾十年后經(jīng)過研究，人們開始認(rèn)識到制備多孔金屬材料，合金的腐蝕可以起到很好很有效的作用，而且它還很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[12]。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，多孔金屬材料的制備方法有多種，其中去合金化法是一種便捷、實用的制備納米多孔金屬材料的方法。去合金化方法歷史悠久，在Columbo發(fā)現(xiàn)美洲大陸之前，中國和美國金匠使用了一種稱為窮竭鍍金的工藝來鑄造金的顏色。這些過程通常包括將鑄件浸入腐蝕溶液中，這實際上是在鑄件中除去銅或銀以形成富含金的海綿狀表面；在中世紀(jì)之前，歐洲金匠也有金和銀合金著色的記錄，這些金和銀合金被包裹在一些活性粉末中[13]（可能含有石灰粉），通過加熱等方法除去Ag。去合金化的過程是一種選擇性挑剔的腐蝕過程。因為合金的組成構(gòu)造成分之間，也有這一定的電位差而且還非常的大，因此可以通過化學(xué)或電化學(xué)方法使用化學(xué)或電化學(xué)方法來溶解合金中更活潑的金組分。這確保了金屬的電化學(xué)性能更加穩(wěn)定，留下了以穩(wěn)定金屬元素為骨架的納米多孔材料[6]。

3.1 去合金化腐蝕過程

化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕是去合金化腐蝕的兩種方法。化學(xué)腐蝕，它是由金屬合金在具有腐蝕性的溶液中直接相接觸并且發(fā)生腐蝕的化學(xué)反應(yīng)引起的。化學(xué)腐蝕也是可以在金屬合金里面的直接應(yīng)用的，電解質(zhì)以及非電解質(zhì)都可以是它的介質(zhì)。電化學(xué)腐蝕方法就是，以金屬合金為工作電極，以飽和甘汞電極或其他電極做為電極和參比電極。然后，將小電壓加入到工作電極上，這樣就可以使合金中的活性元素，與電解液相溶解，從而形成多孔金屬。因為電壓的增加，電化學(xué)腐蝕的腐蝕速率會比自由腐蝕快，孔徑越小，分布越均勻一些[14，15]。研究表明，化學(xué)腐蝕可以得到孔的直徑大約100nm的納米多孔金，電化學(xué)腐蝕制備的納米金在10nm以下。制備多孔金最簡易的方法就是去合金法。制備出來的納米多孔金屬比傳統(tǒng)的多孔泡沫金屬要好一些。它有一些優(yōu)點是傳統(tǒng)的多空泡沫金屬沒有的，比如孔的大小比較小、空的分布也比較整齊均勻、也很少混合其他雜質(zhì)、孔的直徑連續(xù)可調(diào)（從幾納米到幾微米）、柔性也很好控制的宏觀尺寸和材料形貌等的優(yōu)點。

3.2 去合金化法制備金屬納米多孔材料的特點

通過去合金法制備的納米多孔材料具有以下特點：①孔徑小，約1000納米，通過控制合金的比例和合金的反應(yīng)時間，可以控制納米尺寸。②高表面積、脫合金方法是一種極其復(fù)雜的方法。無序的內(nèi)連通孔結(jié)構(gòu)非常大，在催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。③高孔隙率合金中各組分的比例普遍較低，基體成分含量較高。當(dāng)具有較高含量的基組分被脫合金時，只剩下較低的含量。多孔材料的孔隙率一般在50%～80%之間，在分離和過濾方面有廣闊的應(yīng)用前景[16]。④當(dāng)表面增強拉曼散射效應(yīng)被吸附在某些金屬表面時，分子的拉曼散射強度大大增加。根據(jù)拉曼散射的計算金、銀、銅等金屬的拉曼散射強度，是普通拉曼散射的104-107倍。納米多孔合金的表面不光滑、不均勻。當(dāng)光波照射到多孔合金表面的時候，它也會有很高的強度，拉曼散射效應(yīng)也會比較強[17]。

4 結(jié)語

納米多孔金屬材料是一種應(yīng)用于多領(lǐng)域的新型材料，去合金化法是目前生產(chǎn)納米多孔金屬材料的主要制備方法，隨著科技的發(fā)展，納米多孔金屬材料的制備方法將更加快捷方便。