王小菡， 張海東，2*，高利敏，胡 玲，申 渝，3

(1.重慶工商大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,重慶 400060； 2.重慶市催化與功能有機(jī)分子重點實驗室，重慶 400067；3. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714)

液相法制備納米材料的研究進(jìn)展

王小菡1， 張海東1，2*，高利敏1，胡 玲1，申 渝1，3

(1.重慶工商大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,重慶 400060； 2.重慶市催化與功能有機(jī)分子重點實驗室，重慶 400067；3. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院，重慶 400714)

近年來，納米催化劑以其優(yōu)越的特性豐富了催化領(lǐng)域的研究深度與廣度，納米催化劑的制備與應(yīng)用一直受到人們持續(xù)的關(guān)注與研究。液相法作為目前實驗室和工業(yè)上廣泛采用的催化劑制備方法，以其純度高、均勻性好、組分易控制等優(yōu)點在以氧化物為代表的催化劑制備中占有重要地位。本文綜述了國內(nèi)外納米催化劑的研究進(jìn)展，討論了溶膠凝膠法、微乳液法、共沉淀法、水熱法等幾種液相制備方法的特點，并對未來液相法制備納米催化劑進(jìn)行了展望。

催化劑；納米粒子； 液相法；制備方法

納米粒子主要是指納米量級在1～100之間的超細(xì)粒子，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為人類提供了研發(fā)新型功能材料的廣闊途徑[1-3]。其特有的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)使其在催化、電磁和光熱方面獨樹一幟[4-5]。在催化劑應(yīng)用上，催化劑具有的高比表面積、高表面能、表面原子以及大量活性中心的數(shù)量和分布，使納米材料顯示出比普通材料更為優(yōu)越的性能[6]?；诖呋矢?，反應(yīng)選擇性好等原因，納米催化劑的制備成為催化學(xué)科最為矚目的焦點[7]。納米催化劑的研究涉及多個方面，其中催化劑的制備工藝是關(guān)鍵，直接影響到催化劑的微觀結(jié)構(gòu)和催化性能[8-9]。

液相法是選擇一種或者多種可溶性金屬鹽類與溶劑配制成溶液，使各元素呈離子或分子狀態(tài)分散在溶液中，再選擇適當(dāng)?shù)某恋韯┩ㄟ^水解、蒸發(fā)、升華等過程，將含金屬離子的化合物沉淀或結(jié)晶出來，經(jīng)處理后得到納米分體。

作為應(yīng)用最為廣泛的催化劑制備方法，其突出的特點是，設(shè)備簡單，原料易于獲取，純度高均勻性好，產(chǎn)物形貌及化學(xué)組成準(zhǔn)確便于控制，一般用于金屬氧化物的制備和多組分符合納米分體材料的制備[10]。

1 溶膠凝膠法

溶膠- 凝膠(sol-gel)法是制備材料的濕化學(xué)法中的一種方法,該法是指金屬醇鹽或無機(jī)鹽化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠而固化, 再經(jīng)熱處理而形成氧化物或其他化合物固體的方法, 其特點是反應(yīng)物在液相下均勻混合反應(yīng)生成穩(wěn)定的溶膠體系,再在較低于傳統(tǒng)燒成的溫度下燒成制品,所以與其他制備方法相比,制品具有純度高、化學(xué)均勻性好、顆粒細(xì)、可容納不容性組分和不沉淀組分、摻雜分布均勻、合成溫度低、成分容易控制、工藝設(shè)備簡單等優(yōu)點[11-12]。

隨著溶膠凝膠法的發(fā)展，人們的研究重點已經(jīng)從單一材料的制備轉(zhuǎn)向多元材料，Ian Yi-Yu Bu采用溶膠凝膠法合成了新型鈷參雜氧化鋅-氧化錫復(fù)合材料并應(yīng)用于光催化，發(fā)現(xiàn)鈷的加入影響了復(fù)合氧化物催化劑的結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，在一定的負(fù)載量下可以提高亞甲藍(lán)的光催化降解[13]；丁保宏用溶膠凝膠法制備了SiO2-TiO2-ZrO2三元復(fù)合氧化物催化劑載體，較之單一載體或二元載體，提高了表面結(jié)構(gòu)和孔結(jié)構(gòu)，還可以根據(jù)需要調(diào)控表面性質(zhì)[14]。

溶膠凝膠法的原料也不僅限于有機(jī)金屬醇鹽，許多無機(jī)金屬鹽也可以參與到溶膠凝膠法材料制備中來。Huang Ping等采用輕質(zhì)碳酸鎂，氧化鏑以及氧化釔等無機(jī)材料過通溶膠凝膠法制備熒光粉，制備出的樣品能夠顯示出很高的余輝特性和較長的持續(xù)衰減周期[15]。張永等通過溶膠凝膠法以無機(jī)鹽(硝酸鹽)為原料制備納米貴金屬稀土復(fù)合氧化物,程序升溫H2還原實驗初步證明，該納米貴金屬復(fù)合氧化物具有作為汽車尾氣催化劑涂層料的潛在優(yōu)異起燃和儲氧特性[16]。

溶膠凝膠法應(yīng)用的領(lǐng)域涉及到其它非催化劑材料，諸如生物材料，纖維材料，薄膜涂層，合金等。Fang DongYu[17]采用溶膠凝膠法制備Mg-Al共摻雜的氧化鋅薄膜涂層并研究了退火溫度對于其結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，主要表現(xiàn)在尺寸、表面積和晶格結(jié)構(gòu)上。通過退火溫度調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)的特點，該方法制得的產(chǎn)物擁有極高的品質(zhì)并且完全能應(yīng)用到光學(xué)設(shè)備上。Jung-Hee Lee在溶膠凝膠法的基礎(chǔ)上，輔之以熱處理法和靜電法制備羥基磷灰石納米纖維，表征后發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物可以有效加速成骨細(xì)胞的附著和增值，或?qū)⒂兄趦?yōu)化人工骨材料[18]。Gregor ferk等首次以硝酸鹽和TEOS為原料，二氧化硅為基質(zhì)，用溶膠凝膠法制得了窄粒徑分布且具有超順磁性的CuNi負(fù)載合金[19]。

2 微乳液法

微乳液法又叫反膠束法,是近年來剛開始被研究和應(yīng)用的方法。以該法制得的納米粉體顆粒粒徑小、分布窄,表面活性高、單分散性好、不易團(tuán)聚[20]。

由于納米材料獨特的理化性質(zhì)，使人們對它的研究從未停止，因此如何制備粒徑小，尺寸分布窄的納米材料以供研究甚至工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，微乳液法是提高制備質(zhì)量的方法之一[21]，已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，如今用該法制備超細(xì)粒子的技術(shù)日漸成熟。謝湖等采用新的油相，配合其它乳化劑構(gòu)建了一種反相微乳體系，制得改性的二氧化鈦溶膠平均粒徑小，分散均勻[22]。

張曉麗等和張敬輝等分別從多個方面來考察實驗因素對制得的納米顆粒的影響，如表面活性劑和助表面活性劑的質(zhì)量比，表面活性劑的種類、濃度、反應(yīng)時間等。均得到了制備較為理想的納米顆粒的最佳制備條件[23-24]。

目前由微乳液制備納米材料的方法和多樣性得到拓展，不管是材料改性還是制備方法的完善都促進(jìn)了納米材料的功能化，效率化。ZhangYuhai等用傳統(tǒng)的反相微乳液法配合溶膠凝膠法制備了高耐光性磁性硅納米管?；旌喜牧现饘映练e形成終產(chǎn)物，其中硅層就是通過表面溶膠凝膠法合成。用反相微乳法逐層沉積C18和熒光團(tuán)，染料通過包埋法進(jìn)入到硅矩陣中，其耐光性優(yōu)于直接分裝于納米管空隙中，再向其中加入磁粉并不會導(dǎo)致熒光淬滅，相較于傳統(tǒng)球形磁性納米顆粒有著一定優(yōu)勢[25]。同樣的，在完善材料功能上，為了克服二氧化鈦在工業(yè)應(yīng)用上的不足，LiYouji等用微乳液法制備二氧化鈦/碳納米管復(fù)合材料。碳納米管的加入增大了材料的表面積和表面羥基濃度，避免了激子的復(fù)合，還充當(dāng)了支撐和誘導(dǎo)催化性質(zhì)的協(xié)同影響。在材料改性上，微乳液法同樣能夠使其制得的材料達(dá)到滿意的尺寸要求[26]。Rajjab Ali獲悉鐵氧體的電磁性質(zhì)在晶粒尺寸達(dá)到臨界值的時候會有所不同。故而用微乳液法制備納米鐵氧體，并用Ni-Co取代反應(yīng)對其結(jié)構(gòu)和電磁特性進(jìn)行研究。發(fā)現(xiàn)通過該方法制得的鐵氧體晶粒尺寸小，完全有助于提高現(xiàn)代信息數(shù)據(jù)采集的信噪比[27]。

3 水解法

利用金屬鹽在酸性溶液中水解,產(chǎn)生均勻分散的金屬氫氧化物或水合氧化物, 經(jīng)過濾、洗滌、加熱分解即可得到金屬氧化物納米粉末。傳統(tǒng)的方法有:金屬鹽水解法、醇鹽水解法。因其操作簡單，生產(chǎn)成本低，便于規(guī)模生產(chǎn)和工業(yè)應(yīng)用而廣受關(guān)注。傳統(tǒng)的水解法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)今多功能材料日新月異的發(fā)展，無論是從節(jié)約合成成本，簡化合成條件，還是提高材料性能，開發(fā)新功能應(yīng)用。人們都在這種合成方法上挖掘出更多的可能性。

岳斌等采用水解法，以不同的沉淀劑制備BiOCl光催化劑，以甲基橙染料為降解物，評價了不同沉淀條件對BiOCl光催化性能的影響。結(jié)果表明，不同沉淀條件對BiOCl光催化劑的光催化活性有明顯影響。其中以尿素為沉淀劑制得的催化劑顯示了良好的光催化效率。這可能得益于尿素較低的沉淀速率和緩慢的分解速度[28]。WangShurong等用尿素水解法制備了高活性和高選擇性的Cu/SiO2催化劑，在確定了Cu的最佳負(fù)載量之后，研究結(jié)果表明該法合成的Cu/SiO2催化劑具有超細(xì)粒徑和高度均勻的分散性[29]。Fereshteh Meshkani用改良的尿素水解法制備了Fe2O3-Cr2O3-CuO納米晶體，研究了高溫水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)中催化劑的活性和穩(wěn)定性?？疾炝死匣瘻囟群屠匣瘯r間對催化劑理化性質(zhì)的影響。最終制得了理想尺寸的且具有高活性和高比表面積的催化劑[30]。

郭凱旋等為了獲得更高效的納米氧化鈦，采用超聲改進(jìn)的醇鹽水解法，無需煅燒，通過控制反應(yīng)條件從而在簡單溫和條件下得到高效的光催化劑，制備了晶型較好、顆粒分布均勻的光催化劑避免了高溫煅燒引起的團(tuán)聚現(xiàn)象[31]。梁新杰等為了簡化實驗流程，提高了出產(chǎn)效率，融合了水熱-水解法制備了純凈的參雜穩(wěn)定劑的氧化鋯納米粉體，為工業(yè)化生產(chǎn)提供一定的參考[32]。

4 共沉淀法

共沉淀法是制備復(fù)合氧化物的常用方法。一般按化學(xué)計量比配制金屬鹽水溶液，攪拌下將堿性沉淀劑加入到含有金屬鹽類的水溶液中，將生成的氫氧化物或碳酸鹽洗去吸附的雜質(zhì)離子，經(jīng)過濾、干燥和焙燒制得氧化物粉體[33]。由于復(fù)合氧化物之間有時存在相互作用，通常使得制備的催化劑展現(xiàn)出比單組分催化劑更為強(qiáng)大和優(yōu)良的特性[34]，多組分催化劑也因此能夠應(yīng)用到更廣闊的領(lǐng)域。其氧化物組成以及理化性質(zhì)的多樣性豐富了復(fù)合氧化物的系統(tǒng)研究。

Wang Luhui等用共沉淀法制備了Ni-CeO2催化劑，并研究了不同沉淀劑對催化劑在水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的影響。該法采用了NaOH、Na2CO3和NaOH/Na2CO3混合物作為沉淀劑制備出目標(biāo)催化劑。結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合沉淀劑制得的催化劑Ni高度分散，具有最多數(shù)量的氧空位和最高活性[35]。ZhangYanbing等首次用氧化還原共沉淀法制備Mn-FeOx/CNTs催化劑，其在80～180℃之間有良好的SCR活性，遠(yuǎn)低于同系其它催化劑的工作溫窗[36]。Adeline Budiman用一種改良的傳統(tǒng)共沉淀法制備了Cu/ZnO/Al2O3催化劑，相對于傳統(tǒng)的共沉淀法，改良后的方法從制備調(diào)節(jié)入手，提高了催化劑活性，增大了比表面積，增加了Cu納米粒子的分散性[37]。YangZhiqing用微波輔助的共沉淀法制備CeO2-ZrO2負(fù)載CuO的催化劑，雖然共沉淀法不是制備該催化劑的最佳方法，但是用微波輔助加熱的方式改變熱處理這一過程，是的制備出的催化劑有所不同，對于催化劑的制備有一定的參考意義[38]。

5 其他方法

制備納米尺度材料和催化劑的方法還有很多，它們在材料制備上互有優(yōu)劣，涉及各種類型的反應(yīng)和化學(xué)應(yīng)用。可以肯定的是，不同的制備方法對終產(chǎn)物的理化性質(zhì)、表面狀態(tài)、催化活性等都有一定影響。

Yao Xiaojiang等用CuO-CeO2催化劑催化NO還原CO反應(yīng)來研究制備方法對催化劑催化性能的影響。其間采用了五種制備方法制得CuO-CeO2催化劑，最終發(fā)現(xiàn)：幾種方法制備的催化劑在晶粒尺寸小上差異不大，但是催化活性和選擇性卻有較大差別?？梢钥闯?，催化劑之間的差異并不單一體現(xiàn)在簡單的制備方法和催化劑種類上，而是各自的微觀性質(zhì)[39]。WangHao等用微波水熱法制備了富含WO3的高分散W/Zr-Al2O3加氫脫硫催化劑，利用ZrO2、SiO2、TiO2與Al2O3合成的載體能弱化負(fù)載金屬與載體相互作用的特點，考察ZrO2與Al2O3在不同制備方法和不同W負(fù)載量的條件下制得的催化劑的性質(zhì)，最后證明理想催化劑的制成與制備方法有一定關(guān)系[40]。

6 結(jié)語

納米尺度催化劑及納米材料的制備方法種類繁多，各有優(yōu)劣。綜上所述我們可以發(fā)現(xiàn)，隨著當(dāng)前納米材料制備工藝的發(fā)展，單一的制備方法已經(jīng)不能滿足材料的功能需求，就如現(xiàn)今的納米材料也不僅限于固定的種類和量比。越來越多的加工及處理工藝被應(yīng)用到制備方法上來，也有越來越多的方法相互融合搭配，使制備的納米產(chǎn)品具有更多的功用滿足人們的需要。相信隨著制備工藝的發(fā)展必將給科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的益處。

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(本文文獻(xiàn)格式：王小菡， 張海東，高利敏，等.液相法制備納米材料的研究進(jìn)展[J].山東化工，2016，45(02)：51-54.)

Advance in Preparation of Nano-material by Liquid-phase Method

Wang Xiaohan1，Zhang Haidong2*，Gao Limin1, Hu Ling1，Shen Yu2，3

(1.College of Environmental and Resources 400060,China； 2. Chongqing Key Laboratory of Catalysis and Functional Organic Moleculars，Chongqing Technology & Business University, 400067，China；3. Chongqing institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Science 400714,China)

Nano-sized catalysts enriched the depth and span of catalytic field because of their predominant characteristics in recent years. Much attention has been paid to the preparation and application of nano-sized catalysts. Liquid method, as the most widely used method in laboratory and industry, plays an important role for the preparation of metal oxide catalysts with the advantages of high purity, good distribution, uniformity and controllability of component. The current paper reviews the progress of nano-sized catalysts. The characteristics of several different methods are focused. The preparation of catalyst for liquid phase synthesis in the future was prospected.

catalysts; nano particles; liquid-phase method; preparationmethod

2015-12-09

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目"VSbOx納米簇中原子隔離的釩活性位在丙烷氧化脫氫制丙烯反應(yīng)中的構(gòu)效關(guān)系"(cstc2013jcyjA50007)；重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目"多孔銅基復(fù)合氧化物制備及其用于富氫氣中CO消除的研究"(KJ130729)

王小菡(1990—)，重慶人，碩士研究生。通訊聯(lián)系人：張海東，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事多相催化研究。

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