中國(guó)粉體網(wǎng)訊 納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)的新材料,，廣泛應(yīng)用于化工,、電子、國(guó)防、陶瓷等領(lǐng)域,。傳統(tǒng)的納米材料制備方法面臨粒徑控制較困難,、批次間重復(fù)性差，存在放大效應(yīng)等不足,。過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)是化學(xué)工程學(xué)科的研究前沿和熱點(diǎn)方向之一,，旨在通過(guò)在生產(chǎn)過(guò)程中采用新工藝、新設(shè)備等手段,，實(shí)現(xiàn)縮減操作單元,、減小設(shè)備體積、提高生產(chǎn)能力及能量利用效率的目的,，是實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程安全,、高效、綠色的重要途徑,。經(jīng)過(guò)多年基礎(chǔ)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā),，各種過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在納米材料制備方面愈加成熟,。
一,、超重力技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
超重力工程技術(shù)主要用于強(qiáng)化 傳遞、混合與反應(yīng)過(guò)程,。利用旋轉(zhuǎn)造成一種穩(wěn)定的,、可以調(diào)節(jié)的離心力場(chǎng)，從而可以代替常規(guī)的重力場(chǎng)是超重力工程技術(shù)的基本原理,。
核心部件旋轉(zhuǎn)填充床主要由電機(jī),、外殼、液體分布器,、轉(zhuǎn)子,、填料等構(gòu)成。氣體在壓力差的作用下從氣體進(jìn)口進(jìn)入腔體,。單股或多股液體經(jīng)液體進(jìn)口進(jìn)入后,，通過(guò)液體分布器均勻噴灑在填料內(nèi)緣，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使液滴從內(nèi)緣進(jìn)入填料,，被填料切割成液滴,、液膜、液絲等微元,，大大增加了氣液或液液的接觸面積,。
超重力技術(shù)工作原理圖
來(lái)源：黃蓓等.超重力化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在涂料填料生產(chǎn)中的應(yīng)用
超重力技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在包括精餾、吸收,、解吸,、無(wú)機(jī)納米材料制備及有機(jī)無(wú)機(jī)復(fù)合功能材料制備、煙氣脫硫脫硝、氨氮廢水處理等方面在內(nèi)的多種化工過(guò)程,，具有廣泛的適用性,。
在納米顆粒制備方面，超重力技術(shù)可極大地強(qiáng)化微觀混合效果,，使成核過(guò)程可控,。北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心率先提出了將旋轉(zhuǎn)填充床用作反應(yīng)器，開(kāi)展了納米碳酸鈣從小試,、中試到工業(yè)應(yīng)用的研究,，世界上首次形成了萬(wàn)噸級(jí)/年的工藝包和商業(yè)化生產(chǎn)線(xiàn)。并進(jìn)一步探索了液–液,、氣–液–固體系的納米顆粒合成超重力新工藝,，制備了高性能的納米顆粒透明分散體和復(fù)合材料，其性能主要體現(xiàn)在良好的阻燃和光電磁性能,，所制備的鈦,、鐵、鋅,、錫等納米氧化物廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥,、電子、建筑及航天航空等領(lǐng)域,。超重力技術(shù)還可應(yīng)用于納米藥物的制備,，改善難溶藥物的水溶性，緩解藥物顆粒的團(tuán)聚,、結(jié)塊等,。
二、微化工技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
微化工技術(shù)是指在微時(shí)空尺度下完成“三傳一反”化工過(guò)程,，通過(guò)強(qiáng)化系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng),、混合、傳遞過(guò)程的速率和可控性,，縮短反應(yīng)和分離時(shí)間,，縮小物料在流程中滯留量，減少副產(chǎn)物的生成,，以微反應(yīng)器,、微混合器、微分離器,、微換熱器等設(shè)備為典型代表,，力求實(shí)現(xiàn)過(guò)程安全、高效,、可控的現(xiàn)代化工技術(shù),。
納米材料制備是微化工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域,。以微分散沉淀法為核心，采用膜分散微混合技術(shù),，實(shí)現(xiàn)分散相與連續(xù)相在微米尺度的相間快速均勻混合,，使傳質(zhì)面積和通量大幅增強(qiáng)和提高，同時(shí)借助反應(yīng)器中連續(xù)相微通道結(jié)構(gòu),，保證流動(dòng)均一,、反應(yīng)均勻，削弱顆粒生長(zhǎng),，實(shí)現(xiàn)納米粒徑范圍變小,。
相對(duì)于傳統(tǒng)的納米材料制備方法,，微化工技術(shù)應(yīng)用于納米材料制備領(lǐng)域具有以下優(yōu)勢(shì)：
（1）通道尺寸介于微米至毫米量級(jí),，微反應(yīng)器可在氣–液,、氣–液–固、液–液體系中產(chǎn)生很大的比表面積,，易于多相流的傳遞及混合,；
（2）微反應(yīng)器易于自動(dòng)化控制、系統(tǒng)集成,、數(shù)據(jù)采集高效,，與人工智能相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)智能化的控制與生產(chǎn),；
（3）微反應(yīng)器體積較小,，物料總量少,，安全性能大幅提升,，適用于物料價(jià)格昂貴、有毒有害,、易爆炸的納米材料制備過(guò)程,。
2005年，清華大學(xué)開(kāi)發(fā)出膜分散微結(jié)構(gòu)反應(yīng)器制備單分散萬(wàn)噸級(jí)納米碳酸鈣生產(chǎn)技術(shù),，該技術(shù)已建成3萬(wàn)t/a的生產(chǎn)裝置,。丁濤等采用膜分散微反應(yīng)器制備出平均粒徑為25~55nm的超細(xì)碳酸鈣，進(jìn)一步提升了產(chǎn)品品質(zhì),。
三,、微波技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
微波加熱技術(shù)與傳統(tǒng)的加熱方式相比，主要加熱特點(diǎn)表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
（1）加熱速率快,。微波加熱方式是電磁場(chǎng)與被加熱物料整體發(fā)生作用,，被加熱物料本身是發(fā)熱體，不需要熱傳導(dǎo)過(guò)程,，從而在極短的時(shí)間完成加熱,。
（2）選擇性加熱。由于各物質(zhì)介電損耗因子存在差異，導(dǎo)致微波加熱過(guò)程表現(xiàn)出選擇性加熱特點(diǎn),，介電損耗因子大的物質(zhì)吸收微波的能力強(qiáng)從而被快速加熱,。
（3）加熱效率高。微波加熱過(guò)程除少量的熱傳輸損失外,，幾乎無(wú)其他熱量損耗,，因此加熱效率高、節(jié)約能耗,。
（4）微波加熱均勻,。無(wú)論物體幾何形狀如何，微波都能均勻滲透電磁波到被加熱物料各部位而產(chǎn)生熱能,，所以加熱均勻性好,，能克服傳統(tǒng)加熱“冷中心”的缺陷。
（5）微波加熱能強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng),，降低過(guò)程能耗,。微波加熱方式是偶極子極化使原子和分子發(fā)生高速振動(dòng)，進(jìn)一步改善化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)條件,，可使反應(yīng)溫度降低,，從而降低過(guò)程能耗。
因此,，可以將微波用于輔助合成納米半導(dǎo)體材料,、金屬氧化物、納米金屬化合物及新型復(fù)合材料之中,。鄧崇海等以碳酸鈉和氯化鋅的水溶液為前驅(qū)體溶液,，用微波爐低溫加熱10min制備出結(jié)晶性良好的半導(dǎo)體ZnO納米棒。Zhao等以光伏產(chǎn)業(yè)的廢多晶硅,、廢芯片的單晶硅和活性炭為原料制備亞微米β-SiC材料,，在（1450±50）°C下進(jìn)行微波燒結(jié)6~8min可合成得到該產(chǎn)品，而傳統(tǒng)工業(yè)過(guò)程需在2200~2400°C下燒結(jié)30h,。
微波工藝在材料及其他領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展
來(lái)源：馬愛(ài)元等.微波技術(shù)在材料制備與礦物冶金中的應(yīng)用
四,、超聲技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
眾所周知,，超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波,，它的方向性好，穿透能力強(qiáng),，易于獲得較集中的聲能,，在水中傳播距離遠(yuǎn)。超聲特殊的聲空化效應(yīng),，為制備具有特殊性能的材料提供了一條重要的途徑,。超聲中聲空化效應(yīng)的來(lái)源是體系中微小泡核的生長(zhǎng),、收縮及破滅，其導(dǎo)致局部產(chǎn)生瞬間的高溫和高壓,，并伴有強(qiáng)烈的高速微射流,、沖擊波及放電發(fā)光作用，這些效應(yīng)能夠控制顆粒的尺寸和分布,，促進(jìn)固體新相的生成,，阻止納米顆粒的聚集。并且超聲技術(shù)因其操作簡(jiǎn)單,、易于控制,、效率高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于輔助制備納米材料，且已經(jīng)取得了良好的效果,。
超聲技術(shù)可與多種反應(yīng)技術(shù)相結(jié)合制備納米材料,，如超聲沉淀法、超聲熱解法,、超聲還原法,、超聲電化學(xué)法、超聲體相擴(kuò)散法等,。如徐鎖平等發(fā)現(xiàn)超聲波的空化作用影響晶體的生長(zhǎng)及均化,，利用超聲沉淀法可制備出呈紡錘形、短軸約10nm,、長(zhǎng)軸約30nm的氧化鐵前驅(qū)體,。王菊香等利用超聲電解法制備出了小于100nm的Cu粉和Ni粉。劉強(qiáng)等以Ce2(NO3)3和NH4HCO3為原料,，使用超聲波頻率1.7MHz把Ce2(NO3)3和NH4HCO3溶液分別霧化,，采用雙液超聲霧化反應(yīng)制備出了，粒度均勻的3nm～5nm螢石型,、呈球形,、分散性好的CeO2納米粉。
五,、等離子體技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用
等離子體制備納米材料的基本原理為：等離子體在陽(yáng)極放電，使陽(yáng)極材料融化,、蒸發(fā),、產(chǎn)生大量蒸汽，蒸汽與氣體原子碰撞會(huì)失去能量迅速冷卻,，形成晶核,，晶核在離開(kāi)高溫區(qū)向低溫區(qū)傳遞的過(guò)程中逐漸生長(zhǎng)，最后形成納米粉末,。
等離子體制備納米材料的示意圖
來(lái)源：宋春雨等.典型過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用進(jìn)展
采用等離子體技術(shù)得到的納米材料,，具有分散性好,、粒度小、純度高等優(yōu)點(diǎn),。因此,，近年來(lái)等離子體技術(shù)在納米材料制備方面得到了廣泛應(yīng)用。
如相比于傳統(tǒng)合成方法,，等離子體技術(shù)具有較少引入雜質(zhì),、產(chǎn)物催化活性較高、反應(yīng)時(shí)間較短等特點(diǎn),。特別是低功率低氣壓條件下的電感耦合等離子體源,，其對(duì)碳納米材料的損傷較小，通過(guò)改變等離子體氣氛,，可以有效地還原或氧化碳納米材料,，這不僅去除了碳納米材料表面的有害基團(tuán)，還在其表面引入有益的化學(xué)基團(tuán),，極大地提高材料的水溶性和吸附性能,。直流等離子體源在大氣壓條件下可以穩(wěn)定放電，通過(guò)改變功率和氣體流速等參數(shù)可以有效控制碳納米材料的生長(zhǎng)方向,，得到具有特殊性質(zhì)的碳納米柱或石墨烯墻,。電子回旋共振等離子源有較好的穩(wěn)定性，處理時(shí)幾乎不會(huì)引入雜質(zhì)元素,，可以用于制備高精度的電子元器件,。采用這些改進(jìn)后的等離子體源可以將金屬或有機(jī)物大分子基團(tuán)負(fù)載于碳納米材料表面，得到的衍生物能夠更好地吸附環(huán)境污染物,。通過(guò)等離子體技術(shù)能夠?qū)⒏邔?dǎo)電率的鉑粒子與碳納米材料復(fù)合,，并提高鉑粒子在碳納米材料表面的分散，這可以賦予鉑粒子抗一氧化碳中毒的特性,，可用作高性能燃料電池催化劑,。此外，經(jīng)等離子體改性的碳基納米材料用于污染物傳感器時(shí)具有較高的靈敏度和力學(xué)強(qiáng)度,。
六,、離子液體在納米材料制備中的應(yīng)用
離子液體（ILs）是完全由離子構(gòu)成且在100℃以下呈液態(tài)的有機(jī)鹽，具有蒸氣壓低,、液程寬,、熱穩(wěn)定好、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn),，在氣體吸收與轉(zhuǎn)化,、金屬氧化物納米材料合成與改性、醫(yī)用材料,、電化學(xué)和催化等領(lǐng)域顯示了優(yōu)異的性能,。
在納米材料制備領(lǐng)域,，離子液體具有傳統(tǒng)溶劑不具備的一些優(yōu)勢(shì)：
（1）離子液體的液體范圍寬、熱穩(wěn)定性高且蒸氣壓低,，其液體范圍可高達(dá)200～300℃,，與傳統(tǒng)溶劑相比，離子液體參與的反應(yīng)可以在更寬的溫度范圍內(nèi)展開(kāi),。
（2）離子液體具有高黏度,。離子液體的高黏度可以減慢試劑在離子液體中擴(kuò)散速度，緩慢的布朗運(yùn)動(dòng)可以減慢溶質(zhì)的傳遞和最終的聚集,。
（3）離子液體有比水更低的表面張力,，使得納米顆粒（NPs）的成核速率快于生長(zhǎng)速率，更容易產(chǎn)生小尺寸的顆粒,。
（4）離子液體還具有可設(shè)計(jì)的特性,，通過(guò)調(diào)節(jié)離子液體中陰陽(yáng)離子的種類(lèi)，可以改變離子液體的物理化學(xué)性質(zhì),。
隨著對(duì)超小尺寸納米材料的研究越來(lái)越多,，可以利用離子液體制備超細(xì)納米團(tuán)簇，例如：將硫醇,、醚,、羧酸、氨基和羥基等官能化的IL用作金屬顆粒的穩(wěn)定劑,，有效防止團(tuán)聚,；還可以使用長(zhǎng)鏈的咪唑離子液體，因?yàn)檫溥騃L中烷基鏈的長(zhǎng)度會(huì)影響納米顆粒的尺寸,，烷基鏈越長(zhǎng),，生成的納米顆粒尺寸越小,；這將為納米材料合成領(lǐng)域提供廣闊的發(fā)展空間,。
小結(jié)
過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)不僅在制備時(shí)間和能源利用效率等方面明顯優(yōu)于常規(guī)方法，還可以得到特殊形態(tài)和性能的納米材料,。過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在制備納米材料的研究中必將受到越來(lái)越多的重視,，研究范圍也會(huì)不斷地?cái)U(kuò)大，將為納米材料的小試和規(guī)模制備提供新的技術(shù)路徑,。
參考資料：
宋春雨等.典型過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在納米材料制備中的應(yīng)用進(jìn)展
黃蓓等.超重力化工過(guò)程強(qiáng)化技術(shù)在涂料填料生產(chǎn)中的應(yīng)用
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馬愛(ài)元等.微波技術(shù)在材料制備與礦物冶金中的應(yīng)用
管洪宇等.超聲輔助法制備納米氧化銅及其應(yīng)用的研究進(jìn)展
劉鈴聲等.超聲波在制備稀土納米材料中的研究現(xiàn)狀
宋曄等.利用等離子體技術(shù)制備和改性碳基納米材料的研究進(jìn)展
陳婷婷等.離子液體在納米ZnO材料制備中的研究進(jìn)展
張虹等.離子液體在納米材料合成中的應(yīng)用
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