超声

2020-03-02 04:23:11 来源：范文大全收藏下载本文

超声化学法对纳米材料制备的作用

课程：机械制造技术基础

专业：机械设计制造及其自动化

年级：2011级

班级：七班

姓名：肖昭贤

摘要

超声化学法是一种通过加速和控制化学反应从而得到独特性能材料的方法，它利用超声空化原理，在液体内部产生瞬间高温、局部高压并伴随着发光、冲击波等微观效应，促使氧化、还原、分解和水解等反应的进行来制备纳米粒子，为化学反应创造了一个独特的条件。

关键词：超声化学法、纳米材料、制备纳米金属氧化物、纳米复合材料

引言

纳米材料的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使它在力、热、磁、声、电、光、催化等方面表现出既不同于宏观物质又不同于微观物质的新奇特性，从而引起了人们对纳米材料极大的兴趣和关注，致使纳米材料在许多领域内得到应用和发展，成为21世纪最具广阔发展前景的新型材料之一。

纳米材料的制备方法作为研究和应用纳米材料的基础和前提，倍受研究者们的重视。目前，有很多种方法，如化学气相沉积法、还原法以及溶胶-凝胶法等都已被用于纳米材料的制备研究中。这些方法各有优势，但应用范围都有一定限制。探寻方便、快捷、高效的制备方法而且能制备出纯度高、粒径分布窄且形态均一的纳米粒子一直是化学家和材料科学家共同努力的方向。

超声化学法已被证明是一种制备纳米粒子十分有效的方法。超声化学法相比于其他的湿化学方法，在制备纳米材料方面具有分散均匀、粒径可控、设备简单、工艺节能高效、生产成本低廉、容易工业化、无污染、安全等特点。使其有望成为21世纪的“绿色化学”方法。

正文

一、超声化学的形式

超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理和化学变化，从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应，物理作用主要表现在可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散，对粉体的团聚可以起到剪切作用，从而控制颗粒的尺寸和分布。化学作用主要表现在可促使或加速某些化学反应进行，可以降低反应活化能的和加快速率。超声化学法的原理主要源于声空化。声空化是聚集声场能量并瞬间释放的一个极其复杂的物理过程。当超声波作用于液体是，强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内充满了蒸汽或者其他气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的震动而不断运动、长大或突然破灭。破灭是周围液体冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。这一极限环境足以使有机物、无机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧和热分解反应，促使非均相界面之间的搅动和相界面的更新，加速了界面建的传质和传热过程，使很多采用传统方法难以实现的反应得以顺利进行。气泡崩灭瞬间产生的高温高压环境会促使水活化为H2O2，还有大量的-OH和-H自由基，这些自由基主要分布于气相区和气液过渡区，这些自由基活性很高，可以与很多物质在较低的活化能下发生反应，从而促使化学反应的导通。液相区基本处于环境条件，在前两个区域未被消耗的自由基可在该区域继续与溶质反应，但反应量较小。

（一）超声化学沉淀法

超声空化作用所产生的高温高压环境为微小颗粒的形成提供了所需的能量，使得沉淀晶核的生成速率可以提高几个数量级，沉淀晶核生成速率的提高使沉淀颗粒的粒径减小，而且超声空化作用产生的高温和在固体颗粒表面的大量气泡也大大降低了晶核的比表面自由能，从而抑制了晶核的聚结和长大。另外，超声空化作用产生的冲击波和微射流的粉碎作用使得沉淀以均匀的微小颗粒存在。采用这种方法制备的粉末，不仅粒径较小，而且分布均匀。

（二）超声雾化热分解法

超声雾化热分解法制备纳米材料是利用了超声波的高能分散作用，将反应物的前体溶液超声雾化成微米级的雾滴，然后由载气带入高温反应器中发生热分解，这样就可以得到分布均匀、粒径较小的纳米材料。

（三）超声电化学法

电化学法是一种通用的氧化还原方法，它不仅能提供最强的氧化还原能力，而且这种能力可以通过电压方便地进行调整。再加上超声波的作用，可以对电化学过程起促进和物理强化作用。

二、超声化学的应用

超声化学法由于声空化所引发的特殊的物理、化学环境为制备具有特殊性能的新型材料提供了一条重要的途径。该方法作为一种独特的纳米材料制备方法。在今后的制备纳米材料的研究中必将受到越来越多的重视，不仅有望在制备具有特殊性能，特殊结构的纳米粉体和纳米薄膜以及纳米复合材料等方面获得更大进展，而且有望与其它的纳米材料制备方法相结合，开发出新型高效的纳米材料制备方法。且由于其制备粉末的条件温和，制备的粉末质量较好，时间周期较短，成本较低，在工业化生产中会有很广阔的前景。

我们知道纳米材料的合成是其理论研究和应用开发的前提，目前纳米材料的合成方法主要可分为物理方法和化学方法。物理的方法一般是通过光刻、腐蚀等超微细加工技术，减少固体的维度和尺寸来制备纳米材料。化学的方法则更多的是通过化学反应，同时控制反应物的浓度、温度、反应时间等来控制纳米材料的尺寸、形状，分布且具有简单、快速、污染小等优点已成为制备纳米材料的一种有效方法。

（一）超声还原法

超声还原法是制备纳米金属或合金材料常用的方法，利用超声空化作用使水溶液或者醇溶液中产生还原剂，把金属盐还原成相应的金属。可利用抗坏血酸作为还原剂来还原氰化金钾，实验中通过改变分散剂的溶度、超声功率、电流大小来调节粒子的形态和尺寸，制备得到了大小为3nm、颗粒分散的金纳米颗粒。实验表明超声时间对Ni 的催化剂活性是有影响的，超声波能够很大程度的提高Ni 的催化剂活性，随着时间的增加催化剂的活性是先升高，然后逐渐下降，其最佳时间为15min。

（二）制备纳米金属氧化物

纳米金属氧化物由于具有丰富的价电子态，大的比表面积以及多变的电子结构，使得其在催化剂、传感器、陶瓷、光器件等领域有着不可忽视的作用。超声波引发的强烈声空化效应可以将金属盐分解为氧化物，从而得到高分散、窄粒径分布的纳米金属氧化物。若以氢氧化铜为前驱物，在超声作用下制备了粒径小、分散良好的纳米氧化铜颗粒。实验证明超声波在液体介质中传播时，会在局部产生瞬间高温高压，使得氢氧化铜转化为氧化铜，空化效应能有效的阻止颗粒的团聚，并一直可以的长大

（三）制备纳米复合材料

纳米复合是指在微米级的结构的基体中引入纳米级分散相。由于纳米材料的独特效应，使得纳米复合材料在表面组成、磁性、光学性能、稳定性及表面积等，表现出与母体模板很多不同的性质。例如：把金属的纳米颗粒放入常规陶瓷中可以大大改善材料的力学性质。纳米复合材料涉及范围广泛，包括了纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米聚合材料、纳米金属材料等。作为一种性能良好的材料，其在微电子、汽车、机械、生物、制药、光学等领域有着光明的前景。

超声波应用于纳米复合材料的制备，主要优点有：不用或少用聚合引发剂、聚合速度快、并能控制集合物的结构和分子量分布。

结语

由于纳米材料具有宏观材料所不具有的独特的光学特性、电学特性、磁学特性、热学特性以及力学特性，引起了科学界的极大关注，成为了世界范围内的研究热点。其研究范围从最初的金属发展到了合金、化合物、复合材料以及纳米管、纳米纤维等。而纳米材料的合成是其理论研究和应用开发的前提，随着纳米技术的不断发展，其制备方法也是日新月异，其中最常用的有液相化学合成法、金属合成法、熔融法等。超声法是在液相化学合成法的基础上外加超声波来实现制备纳米材料，其主要利用超声波产生的声空化作用所引起的局部高温高压，以及冲击波来加速化学反应，消除局部浓度的不均。该方法在控制材料尺寸，形状，分布等方面有着独特的作用，已经成为制备纳米材料的一种有效方法。

参考文献

1、杨强，黄剑锋，超声化学法在纳米材料制备中的应用及其进展，1000-6613（2010）06-1091-06；

2、王冰，张锋，邱建华，Fe3O4超顺磁纳米晶的超声共沉淀法制备及表征（化学学报，2009第67卷，第11期，1211·1216）；

3、严春美，罗贻静，赵晓鹏，无机材料纳米空心球的制备方法研究进展；

4、浙江工业大学硕士毕业论文。