納米材料導(dǎo)論微乳液法

1、研究背景和進(jìn)展,早期人們認(rèn)為：油和水不能完全混溶，但可以形成不透明的乳狀液分散體系1928年美國(guó)化學(xué)工程師Rodawald在研制皮革上光劑時(shí)意外地得到了“透明乳狀液”1943年Hoar和Schulman證明了這是大小為8～80nm的球形或圓柱形顆粒構(gòu)成的分散體系 1958年Schulman給它定名為微乳液（microemulsion），意思是微小顆粒的乳狀液 60-90年代，微乳液的理論方面得到一定程度的發(fā)展90年代以來微乳液

2、的應(yīng)用研究得到快速發(fā)展,乳液法：利用兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成一個(gè)均勻的乳液，從乳液中析出固相，這樣可使成核、生長(zhǎng)、聚結(jié)、團(tuán)聚等過程局限在一個(gè)微小的球形液滴內(nèi)，從而可形成球形顆粒，又避免了顆粒之間進(jìn)一步團(tuán)聚。方法的關(guān)鍵：使每個(gè)含有前驅(qū)體的水溶液滴被一連續(xù)油相包圍，前驅(qū)體不溶于該油相型乳液中，也就是要形成油包水（w/O) 型乳液。特點(diǎn)：非均相的液相合成法，具有粒度分布較窄并且容易控制,乳液法概述,內(nèi)容,微乳液基本原

3、理 影響微乳法制備無機(jī)納米材料的因素 微乳法合成無機(jī)納米材料 結(jié)論,定義：微乳液是由兩種互不相溶液體在表面活性劑的作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn)定的、各向同性、外觀透明或半透明的液體分散體系，分散相直徑約為1-100nm。,1 微乳液基本原理,O/W,習(xí)慣上將不溶于水的有機(jī)物稱油，將不連續(xù)以液珠形式存在的相稱為內(nèi)相，將連續(xù)存在的液相稱為外相。,檢驗(yàn)水包油乳狀液,加入水溶性染料如亞甲基藍(lán)，說明水是連續(xù)相。,加入油溶性的染料紅色

4、蘇丹Ⅲ，說明油是不連續(xù)相。,表面活性劑,頭基,鏈尾,親水基,親油基,直鏈或支鏈碳?xì)滏溁蛱挤?正、負(fù)離子或極性非離子,2 乳狀液的類型轉(zhuǎn)化,O/W型和W/O型乳狀液相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，通常稱為反相。外加物質(zhì)（乳化劑、電解質(zhì)等）增加內(nèi)相物質(zhì)使其體積超過一定值（74.02%）環(huán)境條件（溫度等）,3 微乳液體系,組成：,有機(jī)溶劑：C6-C8直鏈烴或環(huán)烷烴,表面活性劑：陰離子(AOT)，陽離子(CTAB十六烷基三甲基溴化銨 )

5、非離子(Triton X（聚氧乙烯醚類） ),助表面活性劑：脂肪醇，胺,水溶液,作用：(1) 增加表面活性，降低油水界面張力 (2) 阻止液滴聚集，提高穩(wěn)定性,廣泛用于微乳狀液的制備，且不需要使用助劑(琥珀酸-2-乙基己基磺酸鈉),增加柔性，減少微乳液生成時(shí)所需的彎曲能，使微乳液液滴易生成,“水池”,微小的“水池”尺度小且彼此分離，因而構(gòu)不成水相，通常稱之為“準(zhǔn)相” 。作用：這種特殊的微環(huán)境，或稱“微反應(yīng)器”是多

6、種化學(xué)反應(yīng)，如酶催化反應(yīng)、聚合物合成、金屬離子與生物配體的絡(luò)合反應(yīng)等的理想的介質(zhì)，且反應(yīng)動(dòng)力學(xué)也有較大的改變。,微乳顆粒在不停地作布朗運(yùn)動(dòng)，不同顆粒在互相碰撞時(shí)，組成界面的表面活性劑和助表面活性劑的碳?xì)滏溈梢曰ハ酀B入。與此同時(shí)，“水池”中的物質(zhì)可以穿過界面進(jìn)入另一顆粒中。,定義：微乳液中，微小的“水池”被表面活性劑和助表面活性劑所組成的單分子層界面所包圍而形成微乳顆粒，其大小可控制在幾十至幾百個(gè)埃之間。,將兩種反應(yīng)物分別溶于組成完全相同

7、的兩份微乳液中一定條件下混合兩種反應(yīng)物通過物質(zhì)交換而彼此遭遇，產(chǎn)生反應(yīng)，納米微?？稍凇八亍敝蟹€(wěn)定存在通過超速離心，或?qū)⑺捅幕旌衔锛尤敕磻?yīng)完成后的微乳液中等辦法使納米微粒與微乳液分離以有機(jī)溶劑清洗以去除附著在微粒表面的油和表面活性劑在一定溫度下進(jìn)行干燥處理，即可得到納米微粒的固體樣品,4 納米微粒的微乳液制備法原理,將微乳液“水池”作為“微反應(yīng)器” ，利用微乳液“水池”間可以進(jìn)行物質(zhì)交換的原理制備納米粉體,在微乳液界面強(qiáng)

8、度較大時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)物的生長(zhǎng)將受到限制。如微乳顆粒大小控制在幾十個(gè)埃，則反應(yīng)產(chǎn)物以納米微粒的形式分散在不同的微乳液“水池”中。,W/O型微乳夜中超細(xì)顆粒形成的機(jī)理,,(1),兩種微乳液混合,兩微乳液A、B混合碰撞聚結(jié)形成AB沉淀,先配制微乳液A和B, A的水相為Fe3 +和Sn4 + 、Au3 +的混合溶液, B的水相為氨水溶液(其中表面活性劑聚乙二醇辛基苯基醚含量為32. 8% (質(zhì)量分?jǐn)?shù), 下同) 、油相環(huán)己烷含量為43. 8%、助表面

9、活性劑正己醇含量為16. 4%、水相含量為7%). 劇烈攪拌下將B慢慢加入A中, 繼續(xù)攪拌2h后, 用高速離心機(jī)分離(10 000 r/min, 20 min) , 沉淀物用無水乙醇洗滌數(shù)次, 再用去離子水洗滌, 直至無Cl- 檢出干燥, 得氧化鐵前驅(qū)體, 經(jīng)400 ℃下灼燒1 h后得到氧化鐵粉體,1 粉體的制備,(2)向微乳液中直接加還原劑或氣體,將氣體鼓入陽離子可溶鹽（微乳液）發(fā)生反應(yīng)后形成氫氧化物或氧化物沉淀,將還原劑加入到可溶金

10、屬鹽（微乳液）發(fā)生還原反應(yīng)后形成金屬沉淀,還原劑通常為N2H4.H2O，NaBH4，H2氣體通常為NH3，H2S,,⑷所得的干燥粉體在馬弗爐中于1000℃保溫40min,合成鈷鋁尖晶石陶瓷顏料。,CoAl2O4 天藍(lán)納米陶瓷顏料的制備采用如下幾個(gè)步驟:,⑴25℃下,將Span80和Tween60的復(fù)合表面活性劑和正己醇的助表面活性劑按照一定的比例混合,在攪拌中緩慢加入一定量的120#汽油,不停攪拌30min至澄清透明備用。,⑵CoCl

11、2 和Al (NO3 ) 3 按照CoCl2 :Al(NO3 ) 3 = 1: 2 (摩爾比)的比例混合,分別配制成Co2+質(zhì)量百分比濃度為6%、8%和10%的前驅(qū)體水溶液,在攪拌下向上述汽油液中緩慢滴加Co2 + 、Al3 +混合溶液,制得外觀澄清的含有Co2 + ,Al3 +的微乳液。,⑶不斷攪拌中向上述微乳液中通入NH3 氣至pH值為9,生成混合氫氧化物納米粒子并沉淀完全,滴加適量破乳劑丙酮并烘干乳液。,微乳液制備的方式總結(jié),形成

12、沉淀,（I）,（III）,（II）,納米粒子的收集,沉淀灼燒法－用離心沉淀法收集含有大量表面活性劑及有機(jī)溶劑的粒子，經(jīng)灼燒得到產(chǎn)品。此法雖然簡(jiǎn)單，但粒子一經(jīng)灼燒就會(huì)聚集，使粒徑增大很多，而且表面活性劑被燒掉，浪費(fèi)很大。烘干洗滌法－讓含有納米粒子的微乳液在真空箱中放置以除去其中的水和有機(jī)溶劑，殘余物再加同樣的有機(jī)溶劑攪拌，離心沉降，再分別用水和有機(jī)溶劑洗滌以除去表面活性劑。 此法未經(jīng)高溫處理，粒子不會(huì)團(tuán)聚，但需要大量溶劑，且

13、表面活性劑不易回收，浪費(fèi)較大。絮凝、洗滌法－在己生成有納米粒子的微乳液中加入丙酮或丙酮與甲醇的混合液，立刻發(fā)生絮凝。分離出絮凝膠體，用大量的丙酮清洗，然后再用真空烘干機(jī)干燥即得產(chǎn)品。,5 影響微乳法制備無機(jī)納米材料的因素,? 納米尺寸的“水池”是制備納米粒子的關(guān)鍵，所以 選擇合適的微乳系統(tǒng)是材料制備的前題。,? 影響因素,表面活性劑性質(zhì)的影響,水/表面活性劑摩爾比的影響,反應(yīng)溫度和時(shí)間的影響,?表面活性劑性質(zhì)決定微乳體

14、系中“水池”界面性質(zhì)，對(duì)納米粒子的形貌和粒徑具有關(guān)鍵作用。,,A 表面活性劑,在一定的W（水與表面活性劑的摩爾數(shù)之比）范圍內(nèi)， “水池”半徑RW與W近似呈線性關(guān)系。根據(jù)RW與W的關(guān)系，可根據(jù)某個(gè)W時(shí)的RW值推算出另一W時(shí)的RW值。,,適當(dāng)調(diào)節(jié)反應(yīng)物的濃度，可使制取粒子的大小受到控制。理論上，在最優(yōu)反應(yīng)物濃度條件下可獲得最小的粒子粒徑。 Ravet et al(1987)利用成核過程解釋這一現(xiàn)象：,反應(yīng)物濃度較低時(shí)，

15、用于形成成核中心的粒子數(shù)量較少，因此反應(yīng)之初只形成少量的成核中心，導(dǎo)致粒徑較大； 增加反應(yīng)物濃度，成核數(shù)目增多，粒徑尺寸降低； 繼續(xù)增加反應(yīng)物濃度，成核數(shù)目達(dá)到一定程度時(shí)保持不變，此時(shí)離子濃度繼續(xù)增加就會(huì)導(dǎo)致粒子粒徑的增大。,B 反應(yīng)物濃度的影響,c反應(yīng)溫度和時(shí)間,?,6 微乳液法的特點(diǎn),粒徑分布較窄，易控制,可以較易獲得粒徑均勻的納米微粒． 通過選擇不同的表面活性劑分子對(duì)粒子表面進(jìn)行修飾，可獲得所需特殊物理、化

16、學(xué)性質(zhì)的納米材料 粒子表面包覆表面活性劑分子，不易聚結(jié)，穩(wěn)定性好納米粒子表面的表面活性劑層類似于一個(gè)“活性膜”，該層可以被相應(yīng)的有機(jī)基團(tuán)取代，從而制得特定需求的納米功能材料． 納米微粒表面的包覆，改善了納米材料的界面性質(zhì)，同時(shí)顯著地改善了其光學(xué)、催化及電流變等性質(zhì)．,微乳法制備無機(jī)納米材料,Representative Examples Of Nanoparticulate Metals Prepared by Reduct

17、ion in Microemulsions,,CTAB-H2O-n-hexanol體系中用還原法合成金屬鎳,Transmission electron micrograph and size distributionof nickel nanoparticles. [NiCl2]= 0.05 M; [N2H5OH]=1.0 M; water/CTAB/n-hexanol= 22/33/45; 73 °C,Synthesis

18、of Ni–Co needle-like alloys,a) t=10min b) t=50min c) t=150min,合成金屬氧化物,,Survey from the Literature of Oxides Prepared from Microemulsions,SEM image of ZnO nanowires,微乳法合成ZnO 納米線,TEM

19、image of single ZnO nanowires,diameter: 30-150nmSingle crystal structure,金屬硫化物納米微粒的制備,在CS2–water–ethylenediamine中合成CdS 納米球,,李亞棟研究小組在Triton X—環(huán)己烷—正戊醇微乳系統(tǒng)中合成了CaSO4納米棒(線)，PbSO4納米片晶；王雪松等則在Span 80和Tween 60作為復(fù)合乳化劑的微乳系統(tǒng)中合成