[发明专利]纳米结构的氧化物和氢氧化物及其合成方法

说明书

                     发明的背景

1．发明的领域

本发明涉及用化学方法合成纳米结构材料。本发明特别涉及通过化学方法合成纳米结构的氧化物和氢氧化物，从而允许制备有受控形态、相和微结构的材料，包括一类新的纤维状微结构，它把化学活性部位密度高和提高流体渗滤速率结合起来。

2．相关技术的描述

具有小尺寸微结构的材料具有独特的技术上吸引人的性能，正如对快速固化的金属、合金和复合材料(其中可得到几微米数量级的粒径)的研究所表明的。然而，近来研究着重于将粒径从微米降至纳米范围。这些纳米结构材料的特征是高百分率的原子(多达50％)位于晶粒或粒子的边界。图1图解说明了这一现象，其中空白圆圈表示晶粒边界原子，实心圆圈表示内部原子。高百分率的原子位于表面边界对于产生高密度的用于催化反应和电化学反应的势能部位(potential sites)是很重要的。本文的纳米结构材料(nanostructured materials)是指具有粒径约为1至100纳米(1纳米=10埃)的材料，其化学和物理性能与具有相同化学组成的其微米尺寸粒子的相应物相比显著不同，在许多情况下是有所提高。

早先从水溶液中用化学方法合成纳米结构的粉末。典型的已有技术合成法包括三个顺序的步骤：(1)制备混合金属盐的初始水溶液，(2)还原分解初始溶液，得到所需最终产物相的胶态悬浮体，(3)通过重复洗涤和干燥来分离最终产物粉末。所得的干燥粉末产物是松散附聚的纳米粒子的形式。金属氯化物溶液可以用三烷基氢硼化钠还原，形成镍或铁的纳米结构粉末，混合的金属氯化物溶液可被还原形成M50钢、AlN/BN、NiCr/Cr₃C₂和WC/Co的纳米结构粉末。

纳米结构形式的氧化物和氢氧化物的合成有助于制造具有改性和/或优越性能的组件和设备。粒径细化到纳米尺寸范围的另一个优点是消除了晶粒边界的大空隙，这些大空隙通常会导致有害的性能。近来《纳米结构材料》(NanostructuredMaterials)Vol.1,1992在实施例中说明了纳米结构陶瓷材料(即TiO₂)可以在较低的温度和压力下超塑性地变形，这对于网状成型脆性陶瓷和金属间组件有重要的意义。在工业涂覆应用中(如绝热层涂层)，尺寸降至纳米对于提高抗热性能是非常有效的。在稠密的陶瓷涂层中，纳米结构材料具有提供高硬度、高断裂韧性和耐腐蚀性的潜能。

具有纳米尺寸的大表面积材料在活性部位作为媒介的化学反应中起决定性作用的应用中特别有价值。在催化应用中，与周围环境的氧化和还原反应的接触面积大是重要的，因此催化材料的尺寸降至纳米尺寸显然有显著的优点。催化应用包括污染控制，如减少核废料、水的净化、排除汞污染(mercury remediation)、减少微粒(particulates remediation)、空气过滤，以及用于合成的催化(如分子筛、石油精炼等)。然而，尽管开发用于催化的纳米结构材料有较强的价值，但是目前纳米结构材料的缺点是粒子具有形成附聚物的趋势，该附聚物中粒子间的孔隙与粒子大小可比，即粒子间孔隙本身具有纳米尺寸。这些小的孔径大小限制了活性物种进入和穿过附聚物的渗滤速率。

应用纳米结构材料的另一个领域是可再充电的电池和燃料电池，其中纳米结构材料的大表面积促进了活性材料和周围介质的快速相互作用。例如，在高能量密度可再充电的蓄电池中需要在充电和放电的条件下保持高电流脉冲，这就要求电极和电解质之间最大接触以得到高密度的离子和电子载体。具有高密度的受控表面缺陷的活性纳米结构材料能满足这一要求，因此提供了使电池的高能量蓄电容量最优化的手段。