纳米多孔金属的制备方法研究进展
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・ 24 ・ 材料导报 2010年11月第24卷专辑16 纳米多孔金属的制备方法研究进展 陈 静 ’ 。,胡文成 ,杜 凯 .董 东 ,张淑洋 ,张 林。 (1 电子科技大学做电子与固体电子学院.成都6t0054;2【{j国工程物理研究院激光聚变研究中心,绵阳621900) 摘要 综述了去合金化法和模板法2种制备纳米多孔金属材料的方法。以多孔金的制备为代表,进行了较详 细的介绍。比较2种制备方法得出.模板法简单方便、可控性良好,应用更加广泛;模板法包括AA0模板/PC模板 法、蛋白石 反蛋白石结构模板法以及氢气模板法等。通过模板法能够获得分布有序的多孔结构,_KqL间的联通性较 好,是一种制备纳米多孔材料的重要方法。 关键词 纳米多孔去合金化模板法 Research Progress in Fabrication of Nanoporous Metal Materials CHEN Jing 一,HU Wencheng ,DU Kai .D()NG Dong ,ZHANG Shuyang ,ZHANG Lin (1 School of Microelectronics and Solid State Electronics.University of Electronic Science Technology of China. Chengdu 610054;2 Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900) Abstract Many methods can be used to fabricate nanoporous materials,dealloying method and template me- thod are discrihed by taking porous gold as an example.The template method is relatively convenient,and highly or dered nanostructures can 1)e obtained by this method,moreover,the sizes of the pores can be controlled easily.Severa1 templates can be employed,such as AAO template,PC template,opal and inverse opal template,hydrogen bubbles template,an so OFL Therefore the method iS used extensively. Key words nanoporous,dealloying,template method 0 引言 示着一类新的催化材料的兴起 ,在环保等方面具有良好的 应用前景;以蛋白石结构为模板制备的一类多孔材料属于光 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 子晶体,对其研究可能会导致光子技术领域的革命。 或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料的基本单元 目前制备纳米多孔金属材料的方法很多,本文主要回顾 按维数可以分为3类:零维(尺度颗粒、原子团簇等)、一维 总结了去合金化法和模板法制备纳米多孔金属材料的研究 (纳米丝、纳米棒、纳米管等)和二维(超薄膜、多层膜、超晶格 进展。 等)。纳米材料因具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应 及宏观隧道效应等特殊性能而受到广泛关注。 1去合金化法 纳米多孔金属是孑L径尺寸为纳米量级的多孔金属材料, 去合金化,即选择性腐蚀,是利用合金组元间的电极电 相对于传统的多孔金属,不但具有纳米材料的特殊性能,而 位相差较大的特点,使合金中电化学性质较活泼的元素在电 且具有双连续的内部结构、高比表面积和良好的导电性等特 解质作用下选择性溶解进入电解液而留下电化学性质较稳 点。从而具有独特的物理、化学以及力学性能。研究表明.纳 定元素的腐蚀过程。组元既可以是单相固溶体合金中的一 米多孔金属的屈服强度比基于多孑L材料模型预测的理论值 种元素,又可以是多相合金中的某一相_3]。去合金化法是一 高。Lawrence Livermore国家实验室的研究表明,纳米多孔 种简便制备纳米多孔金属材料的新方法,与传统的泡沫金属 金属是一种具有高度活性、稳定性、可调性以及生物相容性 材料不同,利用去合金化方法制备的多孔金属是一种新型的 的可循环利用表面增强拉曼散射的基体材料。 泡沫金属材料,具有结构均匀、纯度高、孔径连续可调(从几 纳米多孔金属在催化、传感器、光学、驱动、热交换和生 纳米至几微米)、材料宏观形态和尺寸灵活可控等特点。 物检测 等领域有着巨大的应用前景。在激光惯性约束聚 用去合金化法制备纳米多孔金属材料,研究最多的是纳 变(ICF)靶材研究中,纳米多孑L金属作为靶材料或靶零件,主 米多孔金。Forty等 首次对Ag—Au合金在HNO。中溶解 要应用在双壳层靶中,作为靶壳内部的支撑层,能有效地控 的微观形貌进行了详细研究,结合TEM分析探讨了Ag—Au 制氘氚燃料和高质子内壳界面的流体力学不稳定性;纳米多 合金在去合金过程Au的表面扩散是如何打开通道和形成双 孔Au具有良好的化学稳定性、高的比表面积以及高的屈服 连续结构,从而获得开口、连续的纳米多孔金的过程。2001 强度等优异性质,且具有非常好的C()-CO:催化性能,这预 年Jonah Erlebacher[ ]采用去合金技术成功制备出尺寸约为 陈静:女,1985年生,硕士研究生,研究方向为应用电化学 胡文成:通讯作者,1967年生,教授Kmail:huwc@uestc.edu.cn 纳米多孔金属的制备方法研究进展/陈 静等 4Onto、相对密度为3O 的金纳米多孔网状结构。此后,去合 ・25 ・ 寸为几十纳米,这种孔的取向垂直于氧化铝的表面,可以深 金化方法被广泛用来制备多孔材料,通常采用电化学腐蚀或 者自由腐蚀法的方法实现去合金化。 达数毫米。选择适当的制备工艺,可以获得规则分布的多孔 结构,其孔径一致、排列有序、分布均匀,这种奇特的性质使 得多孑L氧化铝在纳米器件的制备方面引起了许多研究者的 注意。图2是AA()模板的结构示意图。 1.1电化学腐蚀法 在电化学腐蚀中,电化学活性强的元素被选择性地腐蚀 掉,从而形成由活性较差的元素组成的相互连接的多孔结 构。 典型的纳米多孔金 的制备方法是将Au(99.999Vo)和 Ag(99.999 )按Au Ag 的比例电弧熔化,然后于900℃退 火约100h,使样品的微粒成分均匀分布。切取约0.5ram厚 的薄片.于800℃热处理8h,将其中一面抛光,通过试金分析 法确定合金的成分。室温下.在恒定电压的三电极电化池 中.选择性地把Ag从金银合金中腐蚀掉。在腐蚀过程中,用 铂丝作为对电极、75 硝酸作为电解液、饱和甘汞电极作为 辅助电极.在lV电压下电解2~3天,直到不再有质量变化。 图1是Au Ag。. 合金用电化学腐蚀法去合金化后的SEM 图,可以看到所得多孔金的孔径尺寸约几十纳米,分布较均 匀。 图2 AAO结构示意图 Fig.2 Schematic diagrams of AAO and PC template PC(聚碳酸酯)模板法是通过蚀刻在聚碳酸酯上得到均 匀、单分散的微孔,再以其为模板制备纳米多孔材料的方法。 在AA()模板和PC模板中,通过化学镀或电镀的方法可以 得到纳米线_ 1llj、纳米管l 11 以及同心轴的合金纳米管 。、嵌 段合金纳米线 等。 Zhu I iu等 阳在AA()模板中成功制备了纳米多孔金纳 米线。在AA0模板上溅射一层铜作为导电层,再在三电极 体系中电镀Au Ag 然后在0.3mol/I CuC12和O.1mol/I 图1纳米多孔金的SEM图 Fig.1 SEM image of nanoporous gold HCI溶液中除去铜层并于50~70℃在2mol/I Na()H溶液 中溶解2h以上,以除去AAO模板。合金纳米线悬浮分散在 1.2自由腐蚀法 自由腐蚀亦叫化学腐蚀,是金属与周围直接接触的气体 或溶液发生氧化还原反应而引起的。化学腐蚀直接作用没 有电流产生,反应介质可以是电解质或非电解质。常用的方 法是在一定浓度的酸性溶液中将合金中较活泼的一种金属 二丙醇中,用去合金化法除去Ag即得纳米多孑L金纳米线。 图3是制备纳米多孔金纳米线的示意图。 选择性溶解,在电化学腐蚀中有电流产生。相对于自由腐 蚀,电化学腐蚀的速度更快一些。 在研究去合金化法制备纳米多孔金的基础上已制备出 删 platei I Electrodepos.fi0n of^ HallOWires into templa 纳米多孔铂、纳米多孔铜 一、纳米多孔钯以及纳米多孔钛等 多种纳米多孔金属材料。但是,用去合金化法(不论是自由 腐蚀还是电化学腐蚀)制备纳米多孔材料,在腐蚀的过程中 都存在再结晶现象 】。 ■■ ‘template li !:/ ̄.SonI Strip nanowires from 2模板法 模板法是指利用具有纳米多孔结构的材料作为模板制 、 I patte 。ntaet el r0des 1 Etch c。mponent B fr。m a11oy ■—-—.. 一、 ■ ,一 备纳米多孔材料的方法。常用的模板有AAO(阳极氧化铝) 模板、PC(聚碳酸酯)模板、蛋白石/反蛋白石结构模板以及氢 气泡模板等。 ・ 曲酗耐翻嗣嗵曲of eomponent A Nanoporous nanowire 2.1 AAO模板和PC模板法 AAO模板是通过铝在酸性介质中进行阳极氧化而得到 图3纳米多子L金纳米线的制备示意图 Fig.3 Schematic illustration of the fabrication of a nanoporous gold nanowire device 的。阳极氧化的氧化铝在形成过程中由于生成时的白组织 效应 ],形成密集的六角边形排布的多孔结构,孔的典型尺 ・ 26 ・ 材料导报 2010年l1月第24卷专辑16 2.2蛋白石结构模板法(PS微球和SiOz微球法) 电子显微镜观察表明,结晶蛋白石具有周期排列的六方 晶格,为面心立方结构。广义而言,蛋白石是一种三维光子 模板的方式来调节。在此过程中,如果使用低浓度纳米金溶 液,还可以制备以PS为衬底的纳米金粒子。纳米金粒子具 有良好的催化作用 ! ,在化学镀中可以作为催化剂来制备 其它类型的多孔金属。图7是以纳米金粒子为催化剂制备 晶体。制备光子晶体主要有3种方法,即微机械法、全息照 相刻蚀法、胶体自组装法,其中最常用的是胶体自组装法。 其它多孔金属的示意图。当纳米金粒子的浓度足够高时.在 第三步进行固化除膜,即可制备多孔金。 ‘-,u 。。。J 1。 一 胶体自组装法是将表面带同种电荷的胶体颗粒(如非晶二氧 化硅微球、聚苯乙烯微球等)按一定的浓度分散于溶剂中,由 于颗粒表面之间的电荷相互作用,随着溶剂的蒸发,胶体粒 子自动排列成六方密堆积的胶体晶体,当胶体晶体中微球直 径与光波长相当时.该晶体即产生带隙,具有与蛋白石相似 的光学特性及与天然蛋白石相同的立方密堆积结构,称为人 — (a)胶体粒子悬浮液 (b)自组装 (c)填充 ◆●●●● 簟 工蛋白石~”]。图4是蛋白石结构(a)和反蛋白石结构(b)的 示意图。图5是由Si 或PS微球通过自组装获得的蛋白 石结构的SEM图,可知微球直径尺寸分布均匀。 。 + 一矗 (e)除去模板 (d)固化 图6反蛋白石结构合成的一般步骤 Fig,.6 Schematic diagrams of the general procedure for preparing inverse opal Conveetive self-assembly C0I10idaI silica coated by 3-MPTMS 3一MPTMS COated silica colloidal crystal 图4蛋白石和反蛋白石的结构示意图 Fig.4 Schematic diagrams of opal and i‘nverse opal (1)Sinterby pr0p8ne JI } Dip sino lifuailolon —a Aund/打y ordered metal film 图7纳米金粒子为催化剂化学镀多孔金属的示意图 Fig.7 Reaction scheme for the formation of porous metes by gold nanocrystal-catalyzed el ̄troless deposition 图5 Si02/I S光子晶体的SEM图 Fig.5 SEM image of Si02/PS composite opal Brian等 朝通过蛋白石模板法成功制备了三维多孔周期 排列的金属氧化物,平均孔径为470nm。天津大学的An Xiang等 6_以PS微球蛋白石为模板制备了BaTiO。反蛋白 石结构。采用蛋白石结构模板法还可以制备多种金属氧化 物的三维周期结构,如二氧化钛、氧化铝、氧化锆等。以蛋白 以蛋白石结构为模板,可以得到由不同材料组成的反蛋 白石光子晶体。图6 是反蛋白石结构材料合成的一般步 骤。胶体粒子首先通过白组装成为蛋白石结构,然后在蛋白 石结构中通过直接填充法、液相化学反应法、气相沉积法、电 沉积法0 。等在空隙中填充其它物质,经固化后用煅烧、溶解 或者化学腐蚀的方法除去蛋白石结构模板,从而得到反蛋白 石结构为模板制备反蛋白石结构,再以反蛋白石结构为模板 获得另一种材料的蛋白石结构的方法被称为双反转蛋白石 光子晶体 合成法。 2.3氢气模板法 在传统的电化学沉积过程中,为了得到致密的金属成 分,要抑制水的电解,避免氢气、氧气的产生。反之,氢气、氧 气的产生为得到多孔金属提供了一种简单有效的技术。在 高电流密度下,电化学沉积过程中阴极反应产生的大量氢气 石结构的光子晶体。与蛋白石晶体相比,反蛋白石晶体最大 的优势在于制备材料的选择性广泛、材料折射率的差异容易 调节和易实现完全光子带隙,而且比较方便实现光子禁带的 多重调制和功能化 ” 。 Kristen M.Kulinowski等 运用过滤的方法以PS 泡为孔结构的形成起到了重要的动态反模板作用。在整个 电镀过程中,氢气泡在衬底层、电解液与空气界面之间开辟 了一条通道,在有气泡的地方没有金属离子可以利用,也就 没有金属沉积,衬底的不同位置上均有大量的氢气泡产生, 从而导致沉积物中孔的产生。当沉积速度非常快时,在沉积 蛋白石结构为模板,成功地制备了多孔金。首先,合成PS蛋 白石结构模板,然后将纳米金(15 ̄25nm)甲苯溶液渗透进带 有硫醇的模板中,热处理除去有机物及PS模板,即得到多孔 金。多孑L金的孔径可以通过改变溶液中纳米金尺寸或除去 纳米多孔金属的制备方法研究进展/陈静等 ・ 27 ・ 铜模板中扩散到金沉积层中形成金铜合金,通过去合金化就 可以得到多孔金。图1O是利用这一原理制备纳米多孔金的 示意图 。 物周围的金属离子很快被耗尽,而不停产生的氢气会阻碍反 应离子从电解液向离子耗尽区域扩散,由于移动着的气泡开 辟了途径,金属就在氢气泡一氢气泡之间的间隙中生长,气泡 在远离衬底的过程中会逐渐合并,所以沉积的多孑L金属的孔 径会随着远离衬底的程度而增加口引。利用该原理,Heon- 3结束语 采用上述方法制备的纳米多孔材料在信息、生物、环保 等方面都得到了广泛的应用。去合金化法是一种较新的制 备纳米多孑L材料的方法,但合金的制备常常采用熔炼的方 法,温度高且对设备的要求亦高,有一定的危险性。相对来 Cheol Shin等 成功地制备了多孔铜、多孑L锡。图8为制备 铜、锡等金属多孔材料的示意图。 图8金属多子L材料形成示意图 metal material 警 说,模板法因具有操作简单方便、实验条件容易达到、孔的直 径可控性强等特点而得到广泛的应用,是一种制备纳米多孑L 材料的重要方法。 参考文献 Fig.8 Schematic diagrams of the procedural of porous l I i Ying,et a1.Hydrogen bubble dynamic template synthesis of porous gold for nonenzymatic electrochemical detection of glucose EJ].Electrochem Commun・2007.9:981 2 Sanchez-Castillo Marco A,Claudia Couto,et a1.Gold—nano— tube membranes for the oxidation of CO at gas-water inter— faces[J]. gew Chem Int Ed,2004,43:1140 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B.Hulteen John C,et a1.Nan0tuble-based 利用以上原理制备的多孔材料又可以作为模板制备其 它多孔材料…。因为金有较高的平衡电势,相对氢气产生又 具有较低的过电压,所以不能直接用阴极反应产生的氢气作 为模板制备.利用已得到的多孔铜为模板可以制备结构相似 的多孑L金。图9是以制备的多孑L铜为模板制得的多孔金的 SEM图。将多孔铜浸没在KAu(CN) 的水溶液中 铜比金 molecular-filtration membranes[J].Science,1997,278:655 1 3 Cepak V M。et a1.Fabrication and characterization of con— centric-tubular composite micro and nanostructures using the template-synthesis method EJ].Mater Res,1 998,1 3:3070 14 Martin B R,et a1.Orthogonal self-assembly on colloidal gold-platinum nanorods[J].Adv Mater,1 999,1 1:1021 15 Fert A,et a1.Magnetic nanowires[J].Magn Mater,1999, 200:338 活泼,金原子会逐渐在铜模板的表面被置换出来。KAu一 (CN) 的稳定性高,置换反应速度比较慢,因而不会破环多 孔铜模板结构。金、铜的晶格常数相匹配,铜原子会从多孔 (下转第43页) 镍在自纳米化纯铁表面的扩散系数研究/王越田等 条件下Ni在自纳米化纯铁表面的扩散系数比在原始粗晶纯 铁中的扩散系数提高了1倍多。 287(2):l463 ・43 ・ 10 Tong W P,Tao N R,Wang Z B,et a1.Nitriding iron at 参考文献 1 Lu J.Nano-materials and nano-technology[C]//In Procee- dings of the 4th International Conference on Residual Stress.Baltimore,1994:126 2 I iu G,W.ang S C,Lou X 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