硬模板法制备一维纳米材料

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：由于硬模板具有较高的稳定性和良好的窄间限域作用，因此其能够严格地控制纳米材料的大小和形貌。科研人员将使用AAO模板发展为制备一维纳米材料和纳米阵列复合结构的重要手段，并在电子学、光学器件、光电器件以及传感器等研究领域都获得了良好的研究成果。随后，使用一种改进的溶胶-凝胶法，采用自制的AAO模板相结合，成功地获得了PbO纳米线、微米球和六边形纳米片等多种PbO的一维纳米材料。

硬模板是以共价键维系的形状确定的模板，主要是指一些刚性模板。由于硬模板具有较高的稳定性和良好的窄间限域作用，因此其能够严格地控制纳米材料的大小和形貌。

1.阳极氧化铝模板

用阳极氧化铝（AAO）模板生长各种维度的纳米材料如图1.4所示。

最早关于AAO模板的研究可以追溯到1953年美国铝制备公司研究室的F.Keller等的工作。AAO模板是人们最常用的硬模板，其孔径分布狭窄且尺寸统一，孔道笔直且内表面光滑，其中孔分布密度可以高达1011/cm2，孔道直径为5～200 nm可调。把纳米结构基元组装到模板孔洞中的方法很多，常用的有电化学沉积法、压差注入法、电泳法、化学聚合法、溶胶-凝胶法、气相沉积法、浸干和模板润湿等多种方法。进入20世纪90年代后，随着自组装纳米结构体系的研究兴起，这种带有高度有序的纳米级阵列孔道的纳米材料制备工具受到了越来越多的重视。科研人员将使用AAO模板发展为制备一维纳米材料和纳米阵列复合结构的重要手段，并在电子学、光学器件、光电器件以及传感器等研究领域都获得了良好的研究成果。

使用AAO模板可以合成多种一维纳米材料（纳米线、纳米管、纳米球等）。Wang等采用两步制备出了AAO模板。随后，使用一种改进的溶胶-凝胶法，采用自制的AAO模板相结合，成功地获得了PbO纳米线、微米球和六边形纳米片等多种PbO的一维纳米材料。

图1.4　用阳极氧化铝（AAO）模板生长各种维度的纳米材料

（a）SEM图像下（具有统一的六边形孔洞）的AAO模板；（b）一个圆形的均匀纳米孔图案；（c）AAO模板的侧视SEM图像；（d）PbO纳米线（片、管）的一维纳米结构通过AAO模板形成的机制

2.二氧化硅模板

二氧化硅模板主要包括多孔二氧化硅、石英玻璃等，使用该模板可以方便地制备出排列整齐的一维纳米阵列。Wang等利用二氧化硅薄膜作为模板制备出金属纳米线阵列薄膜，模板的孔结构是导致金属纳米线阵列薄膜形成的直接原因。研究结果表明，这种金属纳米线阵列薄膜在电极、光学器件、催化剂、磁性材料、光电器件和传感器等方面有许多潜在的应用价值。

3.聚合物膜模板

目前，广泛使用的主要有两种聚合物膜模板：聚碳酸酯（PC）膜模板和聚丙烯酸乙酯膜模板。其中，聚碳酸酯膜模板是所有聚合物膜模板中使用最为广泛的一种，它可以像多孔氧化铝模板一样用来制备金属、导电聚合物、铁磁材料等纳米线、纳米管和用于制备一维纳米阵列材料。由于聚碳酸酯膜模板具有耐热性较差，并且容易溶解在有机溶剂中等缺点，常将其与电化学方法结合使用。Lu等使用聚碳酸酯膜模板导向结合电化学方法首次合成了高度有序的镍纳米线阵列。镍纳米线阵列显示出在碱性介质中电催化氧化葡萄糖极高的电化学活性，可以作为一个非酶生物传感器基于其电化学的高活性用于血糖检测中。另外，实验结果还表明，该传感器具有良好的使用重复性、长期稳定性和极高的选择。

4.径迹刻蚀膜

硬模板法制备一维纳米材料

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