納米線的合成方法(濕化學策略):
納米線(NWs)可以被定義為一種具有在橫向上被限制在100納米以下(縱向沒有限制)的一維結構。懸置納米線指納米線在真空條件下末端被固定。**的納米線的縱橫比在1000以上,因此它們通常被稱為一維材料。
一般來說,大多數NWs的構造過程都是基于一維方向內原子沿一定方向生長的原理。NW制備策略可分為自發生長和空間約束生長兩種模式。對于易于形成1D形貌的一些元素(如V、Ti、Mo、Sb)組成材料,以液相為代表的自發生長策略在大多數情況下足以得到1D產物。對于其他難以生長為一維形態的材料,則采用模板法等輔助手段,這些方法歸為空間約束生長策略。
構筑非均質、多級NW結構的策略一般包括一步策略和多步策略。一步策略是指,不同的材料或結構通過原位生長過程在一個反應中形成預期的結構。多步策略總是需要先一步合成得到純NW樣品,以作為模板或基板,然后對其進行進一步的修飾。這些合成策略的示意圖如圖2所示。選擇哪種方法取決于材料本身的固有特性。
圖1. NW合成方法示意圖
濕化學策略
A. 水熱/溶劑熱法
水熱/溶熱法是一種**的基于液相反應的自發生長法,通過在一定的壓力和溫度下引入選擇的溶劑來加速可溶性物質的反應。產物的形貌受多種可能的變量影響,如溶劑種類、反應溫度/壓力/時間、pH值等。與其他方法相比,水熱/溶劑熱法成本低、功耗低、操作方便。通過控制合成過程中的各變量,成功制備許多NW產品,如Sb2O3、TiO2、H2V3O8、NaV3O8。
B. 溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠是利用易水解金屬化合物在水或特定溶劑中的水解和縮聚特性,經過干燥、燒結等后續處理得到目標產物的方法。一般來說,溶膠-凝膠法所涉及的基本反應是水解反應和聚合反應。溶膠-凝膠法是合成高比表面積材料的一種**方法,可以**降低材料加工所需的時間和溫度。這種方法具有以下幾個優點:容易控制合成材料的納米結構,并具有調整材料結構和功能的能力,這使得它在催化、能源存儲和轉化方面具有吸引力。
C. 共沉淀法
共沉淀法是制備納米材料的一種常用方法,常被認為是一種簡單、經濟的“一鍋法”。該方法涉及多個正離子,通過沉淀反應得到均勻的復合材料。在過去的幾十年里,多種NW結構的材料,如NiFe2O4 NWs、Fe3O4 NWs都是通過共沉淀法制備的。
D. 電沉積法
電沉積是另一種以液相為基礎的反應。在這種反應中,材料依靠電場提供的能量生長。利用電沉積法合成NW材料通常需要基底。到目前為止,由于材料類型和實驗條件的限制,電沉積法還沒有廣泛應用于NW材料的制備。因此,需要進一步發展更加**的電沉積模式。
E. 靜電紡絲法
靜電紡絲是一種廣泛應用于制備NWs的簡便方法,包括多級NWs、介孔NWs和幾乎所有無機材料自組裝的NWs。在靜電紡絲過程中,紡絲裝置上的注射頭作為模具來控制產品變為NW形貌。為獲得設計合理的無機NWs用于儲能材料,聚合物前驅體溶液制備、靜電紡絲、燒結三種工藝受到廣泛關注。對比于其他制備方法,這三種方法都便于調控。對于前驅體溶液,粘度和導電性這兩個最重要的性質可以通過改變聚合物和無機成分的比例來輕松調節,這兩個性質對**的形貌有很大的影響。在運行過程中,接收距離通常為30厘米,需要一定時間接收NWs。因此,很容易影響他們的行為。在燒結過程中,許多聚合物具有明顯的熱性能。不同聚合物的結合會導致不同的形貌。靜電紡絲工藝在設計NW結構方面比其他方法具有更多優點,通過對這三種工藝的改進,開發了許多**的靜電紡絲工藝。然而,缺點也很明顯,從參數到**形態的整個過程太復雜,很難找到明確的因果關系。
通過在前驅體溶液中加入模板材料,可以很容易地制備出介孔NWs材料,可緩解充電過程中體積變化。通常使用有機小分子和聚合物作為軟模板,二氧化硅被廣泛用作硬模板。在靜電紡絲前驅液中添加金屬-有機框架材料(MOF)是近年來發展起來的一種軟模板。
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