纳米线的合成方法(湿化学策略):
纳米线(NWs)可以被定义为一种具有在横向上被限制在100纳米以下(纵向没有限制)的一维结构。悬置纳米线指纳米线在真空条件下末端被固定。**的纳米线的纵横比在1000以上,因此它们通常被称为一维材料。
一般来说,大多数NWs的构造过程都是基于一维方向内原子沿一定方向生长的原理。NW制备策略可分为自发生长和空间约束生长两种模式。对于易于形成1D形貌的一些元素(如V、Ti、Mo、Sb)组成材料,以液相为代表的自发生长策略在大多数情况下足以得到1D产物。对于其他难以生长为一维形态的材料,则采用模板法等辅助手段,这些方法归为空间约束生长策略。
构筑非均质、多级NW结构的策略一般包括一步策略和多步策略。一步策略是指,不同的材料或结构通过原位生长过程在一个反应中形成预期的结构。多步策略总是需要先一步合成得到纯NW样品,以作为模板或基板,然后对其进行进一步的修饰。这些合成策略的示意图如图2所示。选择哪种方法取决于材料本身的固有特性。
图1. NW合成方法示意图
湿化学策略
A. 水热/溶剂热法
水热/溶热法是一种**的基于液相反应的自发生长法,通过在一定的压力和温度下引入选择的溶剂来加速可溶性物质的反应。产物的形貌受多种可能的变量影响,如溶剂种类、反应温度/压力/时间、pH值等。与其他方法相比,水热/溶剂热法成本低、功耗低、操作方便。通过控制合成过程中的各变量,成功制备许多NW产品,如Sb2O3、TiO2、H2V3O8、NaV3O8。
B. 溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶是利用易水解金属化合物在水或特定溶剂中的水解和缩聚特性,经过干燥、烧结等后续处理得到目标产物的方法。一般来说,溶胶-凝胶法所涉及的基本反应是水解反应和聚合反应。溶胶-凝胶法是合成高比表面积材料的一种**方法,可以**降低材料加工所需的时间和温度。这种方法具有以下几个优点:容易控制合成材料的纳米结构,并具有调整材料结构和功能的能力,这使得它在催化、能源存储和转化方面具有吸引力。
C. 共沉淀法
共沉淀法是制备纳米材料的一种常用方法,常被认为是一种简单、经济的“一锅法”。该方法涉及多个正离子,通过沉淀反应得到均匀的复合材料。在过去的几十年里,多种NW结构的材料,如NiFe2O4 NWs、Fe3O4 NWs都是通过共沉淀法制备的。
D. 电沉积法
电沉积是另一种以液相为基础的反应。在这种反应中,材料依靠电场提供的能量生长。利用电沉积法合成NW材料通常需要基底。到目前为止,由于材料类型和实验条件的限制,电沉积法还没有广泛应用于NW材料的制备。因此,需要进一步发展更加**的电沉积模式。
E. 静电纺丝法
静电纺丝是一种广泛应用于制备NWs的简便方法,包括多级NWs、介孔NWs和几乎所有无机材料自组装的NWs。在静电纺丝过程中,纺丝装置上的注射头作为模具来控制产品变为NW形貌。为获得设计合理的无机NWs用于储能材料,聚合物前驱体溶液制备、静电纺丝、烧结三种工艺受到广泛关注。对比于其他制备方法,这三种方法都便于调控。对于前驱体溶液,粘度和导电性这两个最重要的性质可以通过改变聚合物和无机成分的比例来轻松调节,这两个性质对**的形貌有很大的影响。在运行过程中,接收距离通常为30厘米,需要一定时间接收NWs。因此,很容易影响他们的行为。在烧结过程中,许多聚合物具有明显的热性能。不同聚合物的结合会导致不同的形貌。静电纺丝工艺在设计NW结构方面比其他方法具有更多优点,通过对这三种工艺的改进,开发了许多**的静电纺丝工艺。然而,缺点也很明显,从参数到**形态的整个过程太复杂,很难找到明确的因果关系。
通过在前驱体溶液中加入模板材料,可以很容易地制备出介孔NWs材料,可缓解充电过程中体积变化。通常使用有机小分子和聚合物作为软模板,二氧化硅被广泛用作硬模板。在静电纺丝前驱液中添加金属-有机框架材料(MOF)是近年来发展起来的一种软模板。
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