金属氧化和硫属化合物纳米材料是近年来新型材料研究的热点之一。本文研究的内容主要是金属氧化和硫属化合物纳米材料的液相制备方法和性质, 并重点对纳米杂化材料的内部结构和性质进行了深入的分析和探究, 此外还测试了这一材料的光学和电化学性能。这一材料在光学、电学和机械性能上的优势使其在半导体产品的制作中气到了重要的作用。
1 金属氧化和硫属化合物纳米材料的结构特点
与一般的材料相比, 纳米材料特殊的内部结构和物化性质, 且在储存量较大, 在全球的分布也较为广泛。在自然界中, 碳可以以多种形式存在, 如硬度较大的金刚石, 硬度较小的石墨等。早在1992 年, 日本公司就合成了一种新型碳结构, 即碳纳米管。碳纳米管从结构结构和尺寸上都与传统形式的碳物质有着极大的差别。从结构上看, 碳纳米管是由二维石墨片形成的中空圆柱体结构, 其直径通常可以达到几纳米到几十纳米, 其长度则在微米级。从性质上来看, 这是碳的一种新的同素异形体, 对碳材料研究领域而言, 又是一次重大的突破。碳纳米管具有良好的电学、力学、化学等性质, 在物理、化学、电子等领域专都引起了广泛的关注, 在世界范围内也引起了研究的浪潮。
2 碳纳米管的性质
碳纳米管拥有一维内部结构, 纵横比为1000。由于含有完全由sp2 杂化形成的化学键, 使得这种材料的内部结构比金刚石更稳定, 从而使碳纳米管的机械性能十分强大, 它的抗拉强度是钢的100 倍, 密度却只有钢的1/6。此外, 碳纳米管的弹性和弯曲刚性也十分理想。从结构上来看, 碳纳米管与高分子材料几乎相同, 但结构稳定性却是前者要好得多。在同样的氧化条件下, 碳纳米管失重几乎为零, 内部结构基本也没有发生明显的改变。此外酸、碱对碳纳米管的结构也不会产生明显的破坏, 即使长时间浸泡于酸液碱液中, 其结构也不发生改变。
除了上述的这些优良的性能外, 碳纳米管在物理性能上也有很大的优势, 与其它材料相比, 碳纳米管的一维管具有很大的长径比, 而热量的传递主要是通过长度方向进行的, 只要调整取向, 就能利用碳纳米管合成其他性能良好的材料, 无论是在热学、电学还是力学性质上都有较好的保障。由于碳纳米管的横向尺寸比一般电介质的波长大, 从而还能有效降低材料的导热性能。将碳纳米管进行适当的排列, 可制成异性热传导性能极高的材料。
碳纳米管的内部结构极大的影响着其性质密切相关。其内部结构与石墨十分相似, 因此跟石墨一样具有良好的电学性能。碳纳米管的管径顶端还具有纳米级别的曲率, 是良好的发射电极, 可以代替钼针, 并且在保持相同的发射密度前提下, 对发射电压的要求较低。由于碳纳米管具有显著的量子特点, 因而成为了理想的微电子和光电子器件的构件。
根据矢量的不同, 碳纳米管可以分为金属性和半导体性两种类型。即使是同一根碳纳米管上, 不同部位的结构也会有所变化, 导电性也有所不同。电子在碳纳米管的管径中的运动是有所限制的, 但在轴向的运动上则不受到限制。从这一层面上就可以认为碳纳米管是一维导线。
上述的这些优良性能使得碳纳米管在场发射, 导体, 导电元件, 结构材料, 催化剂, 空气和水的净化中都拥有良好的应用效果。
3 金属氧化和硫属化合物纳米材料的制备
无机纳米粒子的制备方法有很多, 通常都是通过不同的组装方法将其置于碳纳米管的表面, 最终形成纳米杂化材料。常用的组装方法包括非原位修饰和原位修饰技术。
非原位修饰具体操作步骤是先合成一定体积和结构的无机纳米粒子, 再进行共价或非共价修饰将其无极纳米粒子连接到碳纳米管表面。相对而言, 原位修饰就要简单得多, 只需要在反应过程中, 直接将金属离子连接到碳纳米管表面, 最终得到无机纳米杂化材料。
3.1非原位方法制备碳纳米管/无机纳米杂化材料
在这种制备方法中, 纳米粒子主要是通过共价、非共价作用或者 π~π 堆积作用, 并在交联剂的作用下连接到碳管表面。反应过程中还需要对无机纳米粒子表面的官能团进行一定的修饰。官能团的修饰效果对无机纳米粒子的强度、分布和稳定性等有着显著的影响。
非共价作用在制备的过程中发挥了重要的作用。范德华力、氢键、静电作用都是将纳米粒子连接到纯碳纳米管表面的方法。疏水性包裹剂是另一种对无机纳米粒子进行修饰的方法。这种方法的优点是可以通过改变侧链长度和官能团的方式改变杂化材料的覆盖率和粒子的形态和性质。
π ~ π 堆积作用与上述的制备方法相似, 它是利用了碳纳米管和芳香族化合物之间的 π 电子作用力来实现无机纳米分子的连接的。纳米分子的烷基链通常较长, 并且含有有巯基、氨基等基团, 起到了连接纳米粒子都作用, 而 π ~ π 堆积作用则能够纯化碳纳米管。π~π 堆积作用形成的纳米管有较强的吸附力, 即使经过洗涤或过滤都可以吸附在碳纳米管表面, 从而提高了碳纳米管的分散性, 促进碳纳米管在水或有机溶液中的溶解此外, 通过杂化材料实验发现, 电子可以在碳管和纳米粒子之间进行移动, 在这一过程中, 芳香化合物起到了电子传递载体的作用。还有数据显示, 当纳米粒子与纳米管表面相连接时, 电子转移的现象使得纳米管的磁场和电学性质都出现了显著的变化。
3.2金属氧化和硫属化合物纳米材料的非线性光学应用
激光技术的出现和应用使得激光防护开始与碳纳米管的制备和研究结合起来, 从而研制性能更加良好的的光限幅材料。非线性光限幅器利用的是非线性光限幅效应。首先采用激光对介质进行激发。当激光强度较低时, 输出光强的光线强度也较小, 当入射光强的逐渐增加时, 输出光线的强度也成比例上升。但是当入射光强达到一定的极限值后, 非线性光学效应的存在使得输出光强增加的速度逐渐变慢, 甚至出现输出光线停止增强的现象。这种现象从光学的角度来解释就被称为非线性光限幅效应。
对光限幅材料的研究主要分为两个阶段:上个世纪70 到90年代, 是光限幅材料发展的初级阶段和理论发展阶段。这一阶段的研究主要是以半导体材料为对象的。90年代后期, 对大π键体系有机物的研究成为了主要的趋势。这种材料主要是应用了非限定区域的大 π 电子作用。由于 π 电子在分子内的运动较为自由灵活, 受晶格振动的影响较小, 使其非线性光学效应要明显高于无机物, 并且反应的速率也更快。
3.3碳纳米管的非线性光学应用
碳纳米管具有独特的、规则的内部结构, 使得其拥有良好的光电性能, 此外在光限幅上也有良好的性质, 具体表现在其光限幅带宽大, 反应效率高, 限制因素较少, 从而使其成为了与C60一样的光限幅材料理想材料。近期, 对碳纳米管光限幅效应的研究数量明显增加, 并且主要集中在限幅机制和限幅效果的研究上, 为其在激光防护领域的应用打下了良好的基础。碳纳米管最大的优势在于它不像其他光限幅材料那样在光限幅带宽上有较多的限制, 这也使碳纳米管材料成为最有应用前景的光限幅器件材料。但是虽然碳纳米管在宽带光限幅上具有较大的优势, 但在进行实际应用之前, 还有许多研究工作要进行, 主要是由于碳管在光限幅响应性能上有一些较为显著的缺陷。碳纳米管的光限幅极限值在1 J /cm~2以上, 这个数值已经超过了人体能够承受的安全值了, 也远远高于其它光限幅材料的限值。另外此外, 碳纳米管的响应还是需要耗费一定的时间来完成的, 反应的时间主要受到激光脉冲作用时间的影响, 当激光脉冲达到纳米级别时, 这一影响将变得更为显著。为此, 研究人员还必须碳纳米管的性能、应用等方面进行更深入的探究, 对其性能进行一定的完善, 以使其更符合光限幅应用的要求。
3.4金属氧化和硫属化合物纳米材料在食品安全检测方面的应用
近年来, 食品安全问题是全社会关注的一个重点。快速、编辑、高效地检测到食品中各类物质的含量是确保食品安全的关键, 这也给食品安全检测的技术提出了更高的要求。传统的检测方法包括色谱法, 光谱法, 化学法等。与这些传统的检测方法相比, 电化学传感器是一种新的检测方法, 在许多检测性能上都有所提升, 如操作更加简单快捷, 应用成本低, 检测极限值较低, 对环境的破坏较小。在电学检测中, 氧化石墨烯是常用的一种检测方法, 经常被用于制作电化学传感器。这一检测方法具体的操作是用石墨烯片层作为基础, 再在其上面加上一层半导体纳米粒子, 使得其结构和性质产生相应的调整。在实际应用中常将制备得到的材料涂到光滑电极表面, 形成电化学传感器。这一传感器能够有效的检测出食品中的亚硝酸根离子。
4 结语
综上所述, 金属氧化和硫属化合物纳米材料在光学和电化学方面有着良好的前景。但是对这种材料的理论研究还处于起步阶段, 尤其是在激光防护和传感器方面还有很大的研究潜力, 在未来的研究中应该从实验过程和结果的角度入手, 提高金属氧化和硫属化合物纳米材料稳定性;对纳米材料的光限幅性质也需要进一步的深入的探讨;此外还可以考虑将三元硫属化合物纳米材料与电化学传感器的研究结合起来。
摘要：石墨、金刚石等碳材料具有独特的物化性质, 因此长期以来都获得了研究者的广泛关注。其中碳纳米管等纳米材料由于在光学、电学、热学等方面的优良性质, 更是成为了高科技领域研究热点。为了有效利用并发挥出碳材料的这些性质上的优势, 研究人员开始将碳材料作为载体, 研制各种有机、无机材料, 并优化了现有的纳米材料性能, 推进纳米材料广泛应用。其中金属氧化和硫属化合物纳米材料是纳米材料中性能较为优越的一种类型, 本文主要探究了其制备方法与性质
关键词：金属硫化,硫属化合物,纳米材料
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