球磨法用于制備納米功能材料.pdf

1、納米材料，如納米線，納米管，納米棒和納米花等已經(jīng)引起了材料科學家的廣泛關注。它們在許多領域有著重要的應用，如傳感器、光和電致發(fā)光設備、能量轉換和存儲設備、智能交換機和自清潔材料等。特別是現(xiàn)代設備的發(fā)展，納米材料對它們能夠起到提升和擴展的作用。但是在實際應用和商業(yè)化進程中，納米材料的高產(chǎn)制備一直是個難題，困擾著很多科學工作者。因此，發(fā)展可大量生產(chǎn)納米材料的高效方法變得至關重要。
　　 眾所周知，球磨法是生產(chǎn)納米粉體材料的有效方法。

2、球磨實驗通常運行在圓柱形的不銹鋼容器和小球之間。在球磨過程中可以選擇不同的球磨氣氛，諸如氫氣、氧氣、空氣、氮氣、氬氣或真空。為了較好地控制粉的物性，也可以選擇不同的球磨機。不同的球磨機所制備的粉的性能也不同。球磨機類型通常為磨床、振動和行星式。在球磨過程中，反復研磨不但使材料產(chǎn)生缺陷和新的界面，而且還可以使材料的粒徑減小和比表面積增大，可以改變材料本身的化學活性。此外，還可以實現(xiàn)不同材料間的高度均勻混合?？傊?，通過球磨所得到的粉體具有非

3、常特殊的性質。
　　 本文采用球磨法制備SnO2、鈦鐵礦、TiO2納米材料和MoO3/C復合納米材料。
　　 1)首次以球磨二氧化錫粉為原料，通過簡單的熱蒸發(fā)工藝制備出了納米結構的二氧化錫產(chǎn)品，分析測試結果表明，產(chǎn)品的產(chǎn)量較高。在制備過程中發(fā)現(xiàn)，二氧化錫通過球磨處理后，可實現(xiàn)低溫高效熱蒸發(fā)。材料蒸發(fā)能力的提高不僅僅跟其比表面積的變化相關，而且可能受益于材料本身結構的變化。通過熱蒸發(fā)球磨SnO2粉，可得到純的SnO2納米線

4、。高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)分析測試結果表明，所得到的SnO2納米線為單晶，并沿著(101)方向生長。通過控制氣-固過程和優(yōu)化蒸發(fā)工藝，可制備樹枝狀的SnO2納米線。這種特殊形態(tài)的形成可能由于納米線疊加斷層和過飽和蒸氣的存在所導致。光學性能測試結果表明，樹枝狀SnO2納米線的光致發(fā)光光譜主要由以548nm為中心的較強發(fā)射帶所組成。
　　 2)首次以天然鈦鐵礦為原料，經(jīng)過球磨-堿浸工序成功制備出了鈦鐵礦納米花產(chǎn)品;同時還發(fā)

5、現(xiàn)這種FeTiO3納米花產(chǎn)品具有贗電容器性能。經(jīng)過分析測試可知，所獲得的鈦鐵礦納米花產(chǎn)品的每個納米花大小為幾個微米，花瓣的厚度和寬度分別為5-20 nm和100-200 nm;它的形成主要是通過溶解-沉淀機理。此外，納米花產(chǎn)品的電化學測試性能表明，它在1M KOH和3M KCl水溶液電解質中具有良好的超級電容器性能。當電流密度為500mA/g，電解質溶液為1M KOH時，F(xiàn)eTiO3納米花電極的電容量為120 F/g，因此，F(xiàn)eTiO3

6、納米花有望作為超級電容器的電極材料。
　　 3)將鈦鐵礦納米花經(jīng)過后續(xù)的稀鹽酸工藝處理后可全部轉換為二氧化鈦納米棒產(chǎn)品，這也是首次新發(fā)現(xiàn)。納米棒的長度、厚度和寬度分別約為50-100、2-5和5-20 nm，生長方向為[110]。這些納米棒的形成可能是因為相應的鈦液快速水解所導致，生成的納米棒隨后會進行附聚，附聚的過程中，棒與棒之間會形成間隙，導致最后得到的二氧化鈦納米棒產(chǎn)品具有多孔特征。特別是，當鈦鐵礦納米花經(jīng)過鹽酸處理8小時

7、后，所得到的產(chǎn)品具有較高的比表面積，其大小為96.6m2/g，而且產(chǎn)品的孔結構為小孔特征，孔徑大小為2-20 nm。經(jīng)過光催化降解草酸實驗可知，同等條件下，所得到的產(chǎn)品的光催化性能高于商業(yè)金紅石型二氧化鈦粉末，與P25的性能接近。
　　 4)采用了新的聯(lián)合工藝處理鈦鐵礦，成功獲得了具有多孔結構的二氧化鈦納米顆粒。這個聯(lián)合工藝包括四個步驟:球磨預處理鈦鐵礦和活性炭的混合物，1000℃和惰性氣氛里焙燒球磨后的混合物，鹽酸處理焙燒產(chǎn)物

8、，空氣中煅燒酸浸后的產(chǎn)物。電子顯微鏡研究結果表明，該方法所獲得的產(chǎn)品是由團聚在一起的納米粒子組成，這些納米粒子具有多孔結構。相應的孔徑分布具有雙峰特征，其中小孔(3-20nm)對應于納米粒子表面上的洞，而50-80納米范圍的大孔則對應于團聚在一起的納米顆粒之間的間隙。通過球磨、還原焙燒加酸浸工藝處理鈦鐵礦，基本會將FeTiO3中鐵雜質除去，鐵離子的去除會導致相應孔的形成，從而致使獲得的TiO2產(chǎn)品具有多孔結構。因此我們認為，經(jīng)過聯(lián)合工藝

9、所制備的多孔二氧化鈦納米粒子的形成主要是由鈦鐵礦中的鐵雜質去除引起的。此外，通過控制碳熱還原時間可以調節(jié)兩種不同的孔在產(chǎn)品中分布。光催化降解苯酚實驗表明，所獲得的多孔二氧化鈦納米產(chǎn)品與商業(yè)化金紅石TiO2粉相比具有更高的活性。
　　 5)通過特殊球磨程序處理三氧化鉬和石墨的混合物，獲得了MoO3/carbon納米復合材料，所獲得的這種納米復合材料是目前國內外報道的MoO3基負極材料中電極容量最高、循環(huán)穩(wěn)定性能最好的鋰離子電池電極

10、材料。這種納米復合材料由均勻分散在碳基體上納米三氧化鉬顆粒(2-180 nm)共同構成。MoO3/carbon納米復合材料作為鋰離子電池的負極表現(xiàn)出了良好的循環(huán)能力。當復合材料中三氧化鉬與石墨質量比達1∶1時，其初始容量高于理論容量(745 mAh/g)，循環(huán)120次后，它的容量仍然保持在理論容量的94％(700 mAh/g)。與之前其他學者報道的MoO3基負極材料（納米顆粒、球磨粉末和碳鍍納米帶）相比較發(fā)現(xiàn)，MoO3/carbon納米