越達增材/應用大變身：炫目多“才”的貴金屬納米材料

僅從名字上看，便知道貴金屬具備著極高的經(jīng)濟價值。從古至今，罕見且天然的貴金屬一直擔任著重要貨幣的角色，其中最有名的鑄幣金屬莫過于金（Au）和銀（Ag）。但如今時代變遷，納米技術(shù)的進步使得貴金屬納米材料擁有了優(yōu)異的催化性質(zhì)、電性質(zhì)、磁性質(zhì)和光學性質(zhì)，幾乎在電子、化工、醫(yī)藥、能源、冶金、陶瓷等所有行業(yè)中都能見到它們活躍的身影。至于貴金屬納米材料從中飾演了什么角色，且看下文揭曉。







貴金屬納米材料分類及應用

序言中提到，貴金屬納米材料幾乎應用于所有行業(yè)，但你需要知道，這些被應用的貴金屬通常都是經(jīng)過深加工的制品。所謂貴金屬的深加工，是指將貴金屬單質(zhì)或化合物通過一系列的加工過程，使其物理或化學形態(tài)發(fā)生變化，成為更有使用價值的貴金屬制品的過程。如今通過與納米技術(shù)相結(jié)合，貴金屬深加工的范圍得到了拓展，許多新的貴金屬深加工產(chǎn)品也因此得以問世。



貴金屬納米材料包括貴金屬單質(zhì)和化合物納米粉體材料、貴金屬新型大分子納米材料和貴金屬膜材料等幾大類型。其中，貴金屬的單質(zhì)和化合物納米粉體材料又可分為負載型和非負載型兩類，是工業(yè)上應用最多的貴金屬納米材料。





貴金屬（金、銀、鉑、鈀、釕、銠、鋨和銥）及其親戚（錸、銅、汞）的全家福



一、貴金屬單質(zhì)和化合物納米粉體材料



1、非負載型粉體

包括銀、金、鈀和鉑等貴金屬單質(zhì)的納米粉體及氧化銀等貴金屬化合物納米粉體兩大類型。由于納米粒子的表面作用能很強，使納米粒子之間極易團聚，通常在制備過程中或得到粉體產(chǎn)品后，會用一定的保護劑（兼有分散作用）包覆在顆粒表面。



應用方面：

目前已產(chǎn)業(yè)化并在工業(yè)上得到應用的非負載型貴金屬納米粒子主要有納米銀粉、納米金粉、納米鉑粉和納米氧化銀等。納米金粉作為著色劑早已被用于威尼斯玻璃和彩色玻璃，含有納米銀粉的紗布可用于燒傷病人的治療。目前，納米銀粉可替代超細銀粉用于導電漿料中，可減少銀的用量降低成本；納米金屬粒子用作油漆的著色劑時，異常光亮的涂層使得它在豪華型轎車和其它高檔裝飾方面具有巨大的應用潛力。





納米金膠體在不同粒子尺寸和濃度下表現(xiàn)出不同的顏色



另外，用貴金屬膠體制成的漿料具有更高的性能價格比，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，可用于開發(fā)新一代高性能電子產(chǎn)品，同時貴金屬膠體本身還可以直接用于電子電路制造及電子封裝技術(shù)，如貴金屬Pd膠體可被制成色粉流體(Toner fluid)，用于電子電路制造和工藝品鍍金。



2、負載型粉體

貴金屬的負載型納米材料通常指將貴金屬及其化合物的納米粒子負載到一定的多孔性載體上得到的復合物，也有人將它歸入貴金屬復合材料。它具有兩大優(yōu)點：

①可以得到非常分散和均勻的貴金屬單質(zhì)和化合物的納米粉體材料，有效地防止貴金屬納米粒子之間的團聚；

②生產(chǎn)過程比非負載型簡單，技術(shù)指標易控制。



目前已生產(chǎn)并在工業(yè)上得到應用的負載型貴金屬粉體有Ag，Au，Pt，Pd，Rh和它們相互之間以及它們與一些賤金屬之間形成的合金納米粒子。







應用方面：

目前負載型貴金屬納米材料主要用作催化劑。由于貴金屬納米粒子尺寸很小，比表面積很大，表面原子的鍵態(tài)和配位情況與與顆粒內(nèi)部原子有很大差異，從而使貴金屬顆粒表面的的活性位置大大增加，具備作為催化劑的基本條件。另外，貴金屬特有的化學穩(wěn)定性，使貴金屬在制作成催化劑后具有特有的催化穩(wěn)定性、催化活性和再生性。





目前已研究出多種化學合成工業(yè)中應用的高效納米級貴金屬催化劑，比如，載在沸石-1上的膠體Pt催化劑用于將烷烴轉(zhuǎn)化成石油，載在碳上的膠體Ru可用于合成氨，Pt100-xAux膠體可用于n-丁烷氫解和同分異構(gòu)化。貴金屬（特別是Pt）納米材料作為催化劑在燃料電池商業(yè)化中也起著至關(guān)重要的作用：由于1～10nm Pt粒子具有的優(yōu)異催化性能，用納米級Pt制成燃料電池催化劑，不但催化性能得到提高，而且可減少貴金屬用量，使得制備成本得以大幅下降。



另外，納米級貴金屬還將在氫能源開發(fā)中起關(guān)鍵作用。用納米級貴金屬催化劑分解水制氫是貴金屬納米材料發(fā)展的一個方向，目前已有多種途徑用貴金屬納米材料催化制氫，如膠體Ir是水還原制氫的活性催化劑。



二、貴金屬新型原子簇

利用希夫林(Schiffrin)反應，可制備出用烷基硫醇保護的Au，Ag以及它們的合金，如Au/Ag，Au/Cu，Au/Ag/Cu，Au/Pt，Au/Pd和Au/Ag/Cu/Pd等的原子簇合物。簇合物的質(zhì)量數(shù)非常單一，可以達到“分子”純度。穩(wěn)定的性質(zhì)，使得它們可像普通分子一樣反復地溶解和沉淀而不會團聚，也可發(fā)生交換、偶聯(lián)和聚合等反應并形成以原子簇合物為結(jié)構(gòu)基元的晶體。因此，把這類原子簇合物稱為單層保護的簇合物分子(MPC)。



應用方面：目前已發(fā)現(xiàn)3～40 nm的金納米粒子可用于細胞內(nèi)部染色，提高對細胞內(nèi)部組織觀察的分辨率，這對細胞生物學的研究具有重要意義。



三、貴金屬膜材料

貴金屬化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易與周圍環(huán)境起反應，常被用來制作表面鍍層和多孔膜。除了一般的裝飾鍍層外，近年來，出現(xiàn)了鍍金玻璃作墻幕，以反射熱輻射，減小能源消耗。如多倫多市加拿大皇家銀行大樓就安裝了鍍金反射玻璃，用去黃金77.77 kg。





右側(cè)的土豪金大廈就是加拿大五大銀行之首的“加拿大皇家銀行”



總結(jié)

雖然貴金屬納米材料的發(fā)展時間不算很長，但已顯示出了強勁的發(fā)展態(tài)勢，在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高技術(shù)發(fā)展中占據(jù)著重要地位。相信隨著科技的進步及研究的深入，貴金屬納米材料將能進一步降低成本并擴大它的影響面，造福于民。