电化学方法在制备纳米材料中的应用

1、电化学方法在制备纳米材料中的应用电化学方法在制备纳米材料中的应用安徽理工大学 应化08-3 班 2008302090 金磊摘要摘要：本文阐述了以电化学为主的纳米材料制备方法的理念，通过其他传统方法的对比，介绍了电化学制备纳米材料的优点及其其影响因素，并通过几个纳米材料电化学制备方法 加以说明。 关键词关键词：电化学；纳米材料；制备 1.前言前言纳米材料，一般是指具有纳米量级(1-100 nm)的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质 或由它们作为基本单位构成的材料。 其广义是指在三维空间中的微观结构，至少有一维方向 上处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料1。 纳米材料的制备技术实际上可以 追溯到古代陶瓷制备技术，各种陶瓷的超精细粉末就是一种我们今天所谓的纳米材料。 古代 绘画所用的碳墨就是利用化学燃烧方法制备的，可以说是最早的简单实用的纳米制备方法。 今天，人们充分发挥自己的聪明才智、 深入认识客观世界、 科学地利用自然界的各种资源， 研究了各种各样的纳米材料的制备方法2。 电化学制备纳米材料就是一种新型的制备纳米材 料的方法，电化学方法是利用外加电场作用，在特定的电化学反应器内，

2、通过一系列设计 的化学反应、 电化学过程或物理过程，制备出纳米材料的前驱体，在不同温度下煅烧得到不 同晶型的纳米材料4。 电化学方法（特别是电化学沉积法）因其自身的特点如可选择性地调 节和控制电位或电流、 实施电位或电流阶跃、 外加交流微扰信号等，为制备粒径和形状可控 的纳米微粒提供了一种方便可行的实验方法。 2.2.纳米材料的制备纳米材料的制备纳米材料的制备理论基础，简单地说就是如何控制粒子生长，使其在所要求的阶段停 止。目前国内外纳米粒子的制备方法大体可以分为物理法、化学法、物理化学法3种2。 （1）物理方法有物理粉碎法，采用介质和物料间相互研磨和冲击，并辅以助剂加以粉 碎达到微粒微细化；物理气相沉积法（PVD），在惰性气体气体下气化后再冷凝成纳米粒 子，此外还有真空蒸发法、放电爆炸法、真空溅射法等。 （2）化学方法包括气相沉积法（CVD），采用加热热源将物质气化后，通过化学反 应，成核生长得到纳米粒子；水热合成法，高温高压下在溶液或气体等流体中合成；化学 沉淀法，将沉淀剂加入到金属盐溶液中，沉淀后进行热处理得到纳米材料。 （3）物理化学方法包括溶胶-溶胶法，将将金属有机醇盐或无机

3、盐溶液经水解，使溶 质聚合成溶胶再凝胶，在低温下干燥，研细后烧结得到纳米粒子；微乳液和反胶束法，微 乳液和反胶束是利用两种互不相溶的容剂，通过添加剂和系列因素的控制得到纳米粒子； 此外还有超临界法、电化学法、高分子保护法和生物化学法等。 3.电化学方法用于纳米材料的制备电化学方法用于纳米材料的制备3.1电化学方法制备纳米材料的优点与传统的化学方法相比，电化学方法制备纳米材料的优点是设备简单、 操作方便、 易于 控制、反应条件温和、产物污染少等，是一种非常有前途的制备与组装纳米粒子的好方法。 与传统的纳米晶体材料制备法相比，电化学法获得的纳米晶体具有以下一些优点。电合成发生在靠近电极的双电层上，而双电层的电场强度高达10 cm，在这种情况 下，通常能合成一般方法无法合成的产物。 产物以薄膜或涂层的形式沉积在电极上，沉积 层具有独特的高密度和低空隙率，结晶组织取决于电沉积参数，因此所得的纳米晶体材料具有很高的密度和极少的空隙率1。电化学法制备纳米晶体材料受尺寸和形状的限制很少。 电位和电流的驱动力可以精确地控制从最强的氧化剂到最强的还原剂，可以连续调节氧 化还原强度和反应速度，可以选择反应

4、路径电化学法不像溶胶一凝胶法需要繁杂的后续 过程，可以直接获得大批量的纳米晶体材料。 电化学方法获得纳米晶体的投资成本相对较 低而产率又非常高。 电化学方法在技术上的困难较小，工艺灵活、 易于控制，很容易由实 验室向工业现场转变。虽然电化学有以上优点，但是也存在需要特别装置、规模效应小和反应影响因素多等 一些缺点。3.2电化学制备纳米材料影响因素电化学制备纳米材料影响因素主要有电流密度的影响，电沉积制备纳米晶体中最 主要的控制因素就是电流密度或沉积速度。 通常电沉积某种微晶用直流电流消耗远大于用普 通电流，当电流密度大于5A/dm2时，沉积速度与电流密度偏离直线关系，获得的是纳米晶 体。 一般认为，在一定范围内，适当增加电流密度有利于纳米晶的形成。 PH值的影响，溶液 的pH值往往随着电沉积过程而变化，因此控制pH值是获得纳米晶体的又一个重要条件。添 加剂的影响，添加剂可以使电极极化，使沉积物晶粒细化，可见添加剂对于电沉积晶粒尺 寸的影响是很大的。 4.电化学方法制备纳米材料的实例电化学方法制备纳米材料的实例4.1铋及其氧化物纳米材料的电化学制备其简要步骤是在常温下，采用阴极分散法，不

5、需要金属盐，不加任何保护剂，在NaOH溶液中，将大块的铋电极在强析氢条件下直接分散成2040 nm的铋纳米粒子，采用氢气泡 动态模板电沉积法，在酸性镀液中，快速简便电沉积制备出三维微纳米分级多孔铋薄膜 另采用电势脉冲氧化还原法，在碱性介质中，直接在铋电极表面制备出铋纳米多孔薄膜， 利用SEM和XRD对其表面形貌和结构组成进行了表征，发现这两种多孔金属铋膜对4-硝基酚 的电还原有较高的电催化活性4。 实例运用新颖的阴极分散法，通过在特定化学电极在特定化学和外部环境将Bi分散成 Bi纳米粒子，通过系列检测方法证明所分散的纳米粒子不但具有纳米粒子本身特性外还依 旧具有原来的活性。 4.2纳米氧化铝的电化学制备和表征 本文以0.1mol的碳酸钠水溶液为电解液，以牺牲阳极铝为代价，采用电化学的方法无 需经过溶胶一凝胶过程就成功制备出粒径小且分布窄的纳米氧化铝。 并用XRD、 TEM和IR对粉 体的结构和形貌进行了表征。结果表明，经750和950分别处理1h后得到了球形的- AL2O3和-AL2O3为纳米材料的研究提供了既无毒无害，又操作简单的制备方法。 实例以高纯铝片为阳极，以牺牲阳极为代价制备纳米氧化铝为我们提供了一种新的制 备思路，其克服了传统方法步骤较多、 条件苛刻和操作繁琐等缺点，其电解产物只有氢氧化 铝和氢气，易进行下一步烧结处理。 5.5.结论结论近十几年来对电化学制备纳米晶体的研究，发现电化学法制备纳米晶体具有其他普通 晶体所不具有的优异性能，例如物理强度性能、 电化学性能以及市场操作和应用价值等。 制 备纳米材料通过优化制备步骤第一要义就是改善纳米粒子新能，优化制备实验步骤和解决 后处理问题。 而电化学制备纳米材料通过本身电场、 电极以及电解液等特殊制备条件正达到 了其改善、优化和制备的目的。参考文献参考文献：1简冠生.氧化镍和四氧化三钴纳米材料的电化学制备及其性能研究D.中山大学. 2009.6.102徐国财.纳米科技导论M.高等教育出版社.2005.113徐淑丽.杜祖亮.张治军.纳米氧化铝的电化学制备和表征J.科学技术与工 程.2006.6:1798-17994陈欣.铋及其氧化物纳米材料的电化学制备D.浙江师范大学.2009.4.17

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