中國粉體網(wǎng)訊  無機納米材料作為一種結(jié)構(gòu)主體主要由無機物質(zhì)構(gòu)成的納米材料，具有眾多特殊的物理化學性質(zhì)，且可以直接通過對材料尺寸、形貌、結(jié)構(gòu)、成分的控制來實現(xiàn)特殊性質(zhì)的改變，因而在過去數(shù)十年里受到了高度關(guān)注，并得到迅速發(fā)展，廣泛應用于環(huán)保節(jié)能、生物醫(yī)學、電子技術(shù)等眾多領域。

常見的制備納米材料的方法包括物理法和化學法，物理法包括物理粉碎法、物理凝聚法和噴霧法等；化學法包括化學氣相沉積法、化學沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法和模板法等。其中模板法在無機納米材料的制備過程中能夠有效地控制形貌、粒徑和結(jié)構(gòu)，已成為合成無機納米材料的前沿方法。

何為模板法？

所謂的模板法就是利用具有一定立體結(jié)構(gòu)、形狀容易控制的材料作為模板，通過物理、化學或生物的方法使物質(zhì)原子或離子沉積到模板的孔中或表面，而后移去模板，得到所需要的納米結(jié)構(gòu)材料的過程，用該方法制作的納米材料具有與模板孔腔相似的結(jié)構(gòu)特征。

模板法制備納米材料的關(guān)鍵在于模板劑，其主要通過調(diào)控晶體的成核和晶體的長大兩個方面來改變產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌。常見的模板劑包括兩大類：一是天然的物質(zhì)如納米礦物、生物分子、細胞和組織等；二是合成的物質(zhì)如表面活性劑、多孔材料和納米顆粒等。基于其結(jié)構(gòu)的差異，一般分為硬模板劑和軟模板劑。對此，模板法可以分為硬模板法和軟模板法。

硬模板

硬模板主要是指以共價鍵維持其特定結(jié)構(gòu)，具有相對剛性結(jié)構(gòu)的模板。硬模板法主要是依靠前驅(qū)體在預先制備好的剛性模板的納米級孔道中生長而實現(xiàn)，陽極氧化鋁、沸石分子篩、介孔材料、膠態(tài)晶體和碳納米管等都是常用的硬模板材料。

硬模板劑的工作機理

軟模板主要是指分子間或分子內(nèi)的弱相互作用維持其特定結(jié)構(gòu)的模板，如膠束、囊泡、液晶等。軟模板法是當模板劑的濃度達到一定值后，可以在溶液中形成膠束，從而引導前驅(qū)體的生長，最終生成具有一定形狀的納米結(jié)構(gòu)材料。

軟模板劑的工作機理

模板法的應用

近年來，模板法被廣泛應用于納米材料的制備，如使用模板法制備碳納米材料。Zhang等采用層狀介孔二氧化硅密閉自組裝方法制備了高品質(zhì)單層石墨烯；Hong等通過熱解聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），以蒙脫石為模板結(jié)合鎳粒子成功合成出多層石墨烯，并研究發(fā)現(xiàn)熱解條件如復合材料的組成、反應溫度、催化劑大小等是影響最終產(chǎn)物形貌和產(chǎn)率的重要參數(shù)；Kim等通過碳化聚苯胺/二氧化硅納米管復合材料制得氮摻雜的碳納米管（N-CNTs）。

此外模板法可結(jié)合電化學法、氣相沉積法和溶膠－凝膠法等技術(shù)制備各種納米復合材料。所制得的材料可應用到生物、化工、環(huán)境、能源等領域。

模板法應用中存在的問題

目前模板法也存在一些亟待解決的問題。硬模板法在合成納米材料過程中，硬模板劑的消除往往會導致部分孔道結(jié)構(gòu)坍塌，影響產(chǎn)物性能；所得產(chǎn)物只有在粒徑較小的情況下，才表現(xiàn)出有序性；原料部分填充，使得產(chǎn)物在孔道里不連續(xù)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷；模板材料的來源有限，制約著硬模板法的廣泛使用。 

軟模板法在合成納米材料過程中，軟模板劑的穩(wěn)定性差易受合成體系的影響，故對合成體系有一定的要求；軟模板劑要跟前驅(qū)體有較強的相互作用，才能形成有序的介觀結(jié)構(gòu)，且所需的前驅(qū)體自身要能夠聚合形成一定機械強度的高分子骨架結(jié)構(gòu)，以保證在模板劑的去除后，骨架結(jié)構(gòu)不會坍塌。

綜合而言，模板法操作簡單、應用條件不苛刻、較易實施，能夠定向合成各種形貌和結(jié)構(gòu)的納米材料，具有較大的應用前景。 

參考資料：

李磊等.模板法制備無機納米材料的研究進展

劉盈盈.納米孔無機材料模板法制備一維和二維碳納米材料的硏究

任斌.基于碳球模板法的功能型納米材料的合成與應用

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/黑金）

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