纳米材料论文

物质科学
Physical science
近年来,具有特殊动力学条件的超快合成策略在可控亚稳态纳米材料的制备过程中显示出巨大的潜力。近日,天津大学邓意达教授、陈亚楠教授、胡文彬教授团队在Cell Press期刊Cell Reports Physical Science上发表了一篇综述文章,详细介绍了喷雾热解(SP)、微波(MW)、液体激光烧蚀(LAL)和高温热冲击(HTS)等具有代表性的超快合成策略,通过物理或化学自上而下的方式将各种大块原材料或盐前驱体等瞬间转化为不同结构的超细小纳米材料(如纳米颗粒、纳米核壳结构、高熵材料、单原子、化合物等)。

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图1.纳米材料超快合成示意图

喷雾热解法(SP)

喷雾热解已广泛应用于各种空气燃料电池和超导体等领域。前驱体溶解在溶剂中后由雾化器雾化成微小的液滴,然后与载气一起送入热源(即火焰、熔炉等)。在这段时间里,每个液滴充当一个微型反应器。溶剂蒸发后,溶质发生扩散、分解、烧结和团聚,最后形成产物。

图2.喷雾热解法示意图

微波法(MW)

微波技术综合了快速合成、选择性加热和高能量利用率等优点。它具有直接性、选择性和体积性的特点,能迅速产生大量的热量,使目标样品的温度急剧上升。停止加热后,功率从几兆瓦降低到零。这种猝灭反应导致亚稳材料的形成。与传统加热方法相比,MW更像是一种独特的快速受限原位加热方式。

图3.微波超快合成策略示意图

液相激光烧蚀技术(LAL)

LAL技术的核心是利用高能激光轰击和加热液相中的靶材料。激光将局部靶材熔化成金属液滴,高温使金属液滴周围的液体迅速蒸发。产生的蒸汽引起瞬间局部高压,这种高能蒸汽带来的破碎效应将微小的金属液滴或等离子体羽流喷入周围的液相,引发强烈的淬火效应,在纳米材料合成领域有着巨大的应用前景。

图4.液相激光烧蚀技术示意图

高温热冲击技术(HTS)

高温热冲击技术是一种利用电焦耳加热超快合成纳米材料的新策略,于2016年由陈亚楠、胡良兵教授提出。在高温下,原材料转变为金属原子,以液态合金或等离子金属蒸气的形式存在。随后的快速冷却过程控制着纳米颗粒的形核与生长。在极高的温度和极快的冷却速率下,该技术可以获得均匀分散,稳定的超细小金属纳米颗粒。目前,HTS技术已广泛应用于实验室规模的合金纳米颗粒、高熵合金纳米颗粒、原始不互溶组分的固溶体、金属化合物纳米颗粒、高熵化合物纳米颗粒、单原子、石墨烯、陶瓷等多种材料的制备,并在催化、电池、热电、建筑、智能器件等诸多领域取得一系列突破性进展。此外,由于HTS高能效、低成本和高通量等特点,未来在大规模产业化纳米材料生产方面前景可期。

图5.高温热冲击技术示意图

小结

本文详细总结了功能性纳米材料超快合成策略的动力学特性、优点和最新进展。然而,不同的超快合成策略在前驱体成本、产品结构、动力学条件控制等方面依然有巨大的成长潜力。核心在于,这些先进合成策略,未来能否真的在成本和过程控制上战胜传统方法?这可能不仅仅是策略本身的问题,还涉及到一系列工艺和设备问题。可以预测的是,未来功能性纳米材料超快合成策略的研究将集中在新材料科学探索和现有高性能材料工业产业技术化等方面,并且有望与人工智能,冷冻电镜等多学科不同领域先进技术交叉结合进一步推进纳米材料制备与实际应用的高速发展。

相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上,点击“阅读原文”查看论文
▌论文标题:
Ultrafast Synthesis for Functional Nanomaterials

▌论文网址:
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(20)30328-3
▌DOI:
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100302

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