模板法及其在納米材料制備中的應(yīng)用

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1、模板法及其在納米材料制備中的應(yīng)用***（************，******）摘要：納米材料的量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)使其展現(xiàn)出許多特有的性質(zhì)，在電子、環(huán)境保護(hù)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文主要綜述了軟、硬模板法制備納米材料的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹幾種常見(jiàn)軟模板法制備無(wú)機(jī)納米材料的基本原理和主要特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出了模板法制備納米材料需要解決的問(wèn)題和應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：模板法；軟模板；硬模板；納米材料1引言納米材料由于其本身具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，展現(xiàn)出許多特有的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)，在催化、醫(yī)藥、濾光、水體

2、處理、光吸收、磁介質(zhì)及新材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景而備受關(guān)注[1]。在納米材料的制備研究中，研究人員一直致力于對(duì)其組成、結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、取向等方面進(jìn)行控制，以使得制備出的材料具備各種預(yù)期的或特殊的物理化學(xué)性質(zhì)。基于此，近年來(lái)模板法制備納米材料引起了廣泛的重視，該方法基于模板的空間限域作用實(shí)現(xiàn)對(duì)合成納米材料的大小、形貌、結(jié)構(gòu)等的控制。由于模板法合成納米材料相比于其他方法有如下顯著的優(yōu)點(diǎn)：（1）模板法合成納米材料具有相當(dāng)?shù)撵`活性、（2）實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作條件溫和、（3）能夠精確控制納米材料的尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)、（4）能夠防止納米材料團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，從而引起了廣泛的關(guān)注[2]。2模

3、板分類模板法根據(jù)其模板自身的特點(diǎn)和限域能力的不同又可分為硬模板和軟模板兩種。二者的共性是都能提供一個(gè)有限大小的反應(yīng)空間，區(qū)別在于前者提供的是靜態(tài)的孔道，物質(zhì)只能從開(kāi)口處進(jìn)入孔道內(nèi)部；而后者提供的是處于動(dòng)態(tài)平衡的空腔，物質(zhì)可以透過(guò)腔壁擴(kuò)散進(jìn)出[3]。3硬模板法制備納米材料硬模板是指以共價(jià)鍵維系特異形狀的模板。主要指一些由共價(jià)鍵維系的剛性模板。如具有不同空間結(jié)構(gòu)的高分子聚合物、陽(yáng)極氧化鋁膜、多孔硅、金屬模板天然高分子材料、分子篩、膠態(tài)晶體、碳納米管和限域沉積位的量子阱等。通過(guò)前驅(qū)體的填充、包裹等將模板的結(jié)構(gòu)、形貌復(fù)制到產(chǎn)物中去，然后通過(guò)酸堿溶解、高溫分解等去除模板，合成零維的納米顆

4、粒原子團(tuán)簇，一維的納米線、納米管，二維的納米薄膜乃至三維的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)等一系列納米材料。3.1陽(yáng)極氧化鋁模板法制備納米材料20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著自組裝納米結(jié)構(gòu)體系研究的興起，多孔陽(yáng)極氧化鋁膜（AAO）這種帶有高度有序的納米級(jí)陣列孔道的納米材料受到人們的重視。人們將AAO作為模板來(lái)制備納米材料和納米陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，并在磁記錄、電子學(xué)、光學(xué)器件以及傳感器等方面取得良好的研究成果。3.2多孔硅及二氧化硅模板法制備納米材料多孔硅的表面高密度分布的納米孔使其具有很大的比表面積，從而容易進(jìn)行物理吸附，并表現(xiàn)出很大的表面還原性。多孔硅以其納米級(jí)的孔道作為限制前驅(qū)體的主要結(jié)構(gòu)，結(jié)合使用各類沉

5、積方法和自組裝技術(shù)可以制備多種復(fù)合納米體系。二氧化硅介孔材料具備規(guī)整可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)和較大的比表面積，孔內(nèi)可滲透目標(biāo)材料形成預(yù)期的各類納米陣列。以介孔二氧化硅為模板，高溫使氧化鎢在孔道中結(jié)晶并用HF酸除去模板可以制得表面能大且雙孔徑的介孔氧化鎢和復(fù)合氧化鎢/碳的納米介孔材料，這兩種材料都具有很好的晶體結(jié)構(gòu)并在電化學(xué)催化領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。3.3其他硬模板法制備納米材料隨著模板法的日益成熟，研究人員將更多種類的模板應(yīng)用于納米材料合成領(lǐng)域，以納米管、納米線為模板可進(jìn)一步合成結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、功能更全面的納米材料。以碳納米管為模板，用原位乳液聚合法在模板表面包覆聚苯胺，可以制得聚苯胺/碳

6、納米管的一維納米復(fù)合管。另外Goldberger等[4]利用在單晶硅表面沉積的ZnO納米線為模板，通過(guò)分步氧化刻蝕法得到了硅基GaN納米管。4軟模板法制備納米材料軟模板常常是由表面活性劑分子聚集而成的。主要包括兩親分子形成的各種有序聚合物，如液晶、囊泡、膠團(tuán)、微乳液、自組裝膜以及生物分子和高分子的自組織結(jié)構(gòu)等。通過(guò)分子間作用力及空間限域能力，引導(dǎo)和調(diào)控游離前驅(qū)體的規(guī)律性組裝，從而控制納米材料的組成、結(jié)構(gòu)、形貌、尺寸、取向和排布。與硬模板相比，軟模板的后期模板去除工作較為方便，并可以將回收的模板碎片再利用，但是軟模板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，模板效率不高。4.1生物分子模板法制備納米材料近

7、年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些具有特殊結(jié)構(gòu)的生物大分子、細(xì)胞組織和某些活細(xì)胞也可以用作納米合成的模板，它們自身納米級(jí)結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)越性和易獲得性，使其成為納米材料合成中極具前景的一種模板。DNA因其弱導(dǎo)電性和對(duì)金屬粒子的選擇吸附性，在用作模板時(shí)通過(guò)控制其實(shí)驗(yàn)條件可以合成不同結(jié)構(gòu)、尺寸和性能的金屬納米線。Wang等[5]利用長(zhǎng)度相同的直鏈DNA分子為模板，通過(guò)控制DNA的序列合成出花辨狀和球形的金納米粒，DNA和金納米粒之間的靜電排斥作用阻止了顆粒間的團(tuán)聚。蛋白質(zhì)可視為由親水性和疏水性氨基酸構(gòu)成的天然兩親嵌