纳米颗粒制备方法

纳米颗粒的制备
同济大学
第一章 纳米粒子的制备方法
按照物质的原始状态，可分为固相法、液
相法和气相法。 按照研究纳米粒子的学科分类，可分为物 理方法、化学方法和物理化学方法。 按照制备的技术分类，可分为机械粉碎法、 气体蒸发法、溶液法、等离子体合成法、 激光合成法、溶胶凝胶法等 本文着重针对纳米粒子生成机理与制备过 程，粗略地分为物理方法、化学方法。
优点：由于电磁波的作用，熔体发生由坩埚的中
心部分向上、向下以及向边缘部分的流动，熔体 不断被搅拌，温度相对均匀恒定 因此，规模越大（使用大坩埚），粒子的粒 径越均匀，便于工业化生产。
缺点：很难制备高熔点物质，如：W、Ta、Mo
等。
III.电子束加热 优点：可制备Mo、W、Ta等高熔点金属 和Zr、Ti等活性大的金属；制备TiN、AlN 等高熔点化合物。 2Ti+N2 2TiN 2Al+2NH3 2AlN+3H2 电子枪内高真空(0.1Pa)，蒸发室内(1kPa) 设置排气室，再用电子透镜聚焦电子束， 保证高的投入密度。
粉碎法 物 理 方 法
机械 粉碎法
球磨 振动磨 振动球磨 搅拌磨 胶体磨 气流磨
构筑法
蒸发法 溅射法
1.1 蒸发法制备纳米颗粒

定义：直接利用气体或利用各种手段将物质变成气体，
使之在气体状态下发生物理或化学变化，在冷却过程中凝 聚长大形成纳米粒子。

气相蒸发法原理：在高真空室中冲入低压的纯净惰性气
流动油面上的真空蒸发沉积法 （VEROS）
将物质在真空中连续地蒸发到流动着 的油面上，然后把含有纳米粒子的油回收 到贮存器内，再经过真空蒸馏、浓缩，制 备纳米粒子。 优点：可以得到平均粒径小于10nm的各类 金属粒子，粒子分布窄。 缺点：粒子太细，难以从油中分离。
化学气相冷凝法（CVC）
按照原料加热蒸发技术手段的不同，
可将
蒸发法分为：





1）电阻加热； 2）等离子喷射加热； 3）高频感应加热； 4）电子束加热； 5）激光加热； 6）电弧加热； 7）微波加热。
I.

电阻式蒸发
应用最为普遍：只能制备Al、Cu、Ag、Au等 低熔点物质 电阻材料：难熔金属，如W、Mo、Ta等 形状：螺旋纤维或舟状 局限性： a.发热体和蒸发体在高温熔融后形成合金 b.蒸发材料的蒸发温度高于发热体的软化温度


要求：热源温度场分布空间范围尽量小，温度 梯度大
II.高频感应加热法 原理：高频大电流通过线圈，产生极性瞬间变化
的强磁束，将金属等被加热物质放置在线圈内， 磁束就会贯通整个被加热物质，在被加热物质内 部与加热电流相反的方向产生很大的涡电流，由 于被加热物质内的电阻产生焦耳热，使物质自身 的温度迅速上升。
iv.激光加热
v.等离子体加热

等离子体：物质存在的第四种状态，有大量的电 子、正离子、负离子、激发态的原子和分子，基 态的原子和分子以及光子组成的准中性气体，具 有很高的活性。
Hale Waihona Puke 多级氢电弧等离子体反应装置

该设备是崔作林、张志焜自行设计研制出的、 具有独立知识产权的我国首台可连续工作的氢 电弧等离子体纳米材料制备设备。以该设备为 基础获得的研究成果“高熔点纳米金属催化剂 的制备方法” 1997年获国家技术发明二等奖， 这是迄今为止我国纳米科技领域荣获的最高等 级的国家奖励，也是我国纳米研究领域最早获 得的国家奖励。
体或反应气体，预蒸发的物质置于坩埚，通过加热装置逐 渐加热蒸发，产生原物质烟雾。由于惰性气体的对流，烟 雾向上移动（与反应气体发生化学反应）并接近充液氮的 冷却棒（77K）。在蒸发过程中原物质原子与惰性气体碰 撞损失能量冷却，造成局域的过饱和，形成均匀的成核过 程，然后形成原子簇，长大成纳米粒子。收集。
化学气相冷凝法（CVC）
原理：
将反应室抽真空，冲入少量的惰性气体，形 成数百帕的真空度，（通入反应气体），在加热 的反应器内得到目标产物或其前驱体，然后在对 流的作用下，到达后部的骤冷转筒器（加入液氮 作为冷却介质），转筒后面有一刮刀不断的移去 沉积的纳米颗粒，可以提供一个干净的金属表面 来进行连续的收集操作。
2.1 化学气相沉积法制备纳米粒子
化学气相沉积（CVD：Chemical Vapour Deposition） 是利用气态或蒸气态的物质在气相或气固界面上 生成固态沉积物的技术。 在远高于临界反应温度的条件下，通过化学 反应，使产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自 动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚 集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室 内得到纳米粉体。 反应原料是气态或易于挥发成蒸气的液态或固态 物质。
纳 米 粒 子 合 成 方 法 分 类
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
物理法
纳 米 粒 子 制 备 方 法
构筑法
蒸发法 溅射法
气相分解法 气相反应法 气相合成法 气－固反应法
化学法
沉淀法 水热法 液相反应法 溶剂热法 溶胶－凝胶法 蒸发溶剂热解法 模板法
共沉淀法 均相沉淀法 水解沉淀法
纳米颗粒的物理制备方法

氢电弧等离子体法合成机理： 含有氢气的等离子体与金属间产生电弧，使 金属熔融，电离的N2、Ar等气体和H2溶入熔融金 属，然后释放出来，在气体中形成了金属的超微 粒子，用离心收集器或过滤式收集器使微粒与气 体分离而获得纳米微粒。 用于在制备工艺中使用氢气作为工作气体,可 大幅度提高产量。其原因被归结为氢原子化合时 （H2）放出大量的热，从而强制性的蒸发，使产 量提高，而且氢的存在可以降低熔化金属的表面 张力加速蒸发。

根据反应类型不同分为热解化学气相沉积和化学 合成气相沉积。 1、热解化学气相沉积 条件是分解原料通常容易挥发，蒸气压、反 应活性高，如氢化物、金属有机化合物。 2、 化学合成气相沉积 通常是利用两种以上物质之间的气相化学反 应，在高温下合成出相应的化学产物，冷凝而制 备各类物质的微粒。
特点：粒径小、分布窄、避免团聚。
第二章 纳米颗粒的化学合成方法


定义： 通过适当的化学反应，包括液相、气相和固 相反应，从分子、原子出发制备纳米颗粒物质。 化学法包括气相法、液相法和固相法。 气相法分为：气相分解法、气相合成法、气-固反 应法 液相法分为：沉淀法、水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、蒸发溶剂热解法、模板法 固相法分为：热分解法、固相反应法、火花放电 法