纳米粉体材料是指粒度在100纳米以下的介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米粉体因具有特殊的表面性质，要获得稳定而不团聚的纳米粉体，必须在制备或分散纳米粉体的过程中对其进行表面修饰，表面修饰对于纳米粉体的制备、改性和保存都具有非常重要的作用。

一、纳米粉体表面特性

纳米粉体粒径在1～100nm，绝大部分原子处于微粒的表面位置，表面积很大，因而具有特殊的表面性质，具体如下：

（1）纳米粉体表面处于高能状态。

（2）纳米粉体具有很高的化学活性。

（3）纳米粉体表面台阶和粗糙度增加，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价。

纳米粉体的上述特性为对其进行表面修饰提供了可能。

纳米氧化锌粉体表面台阶状形貌SEM图片

二、纳米粉体表面修饰研究内容及修饰目的

1、纳米粉体表面修饰研究内容主要研究三个方面：

（1）研究纳米粉体的表面特性，以便有针对性地对其改性。

（2）利用上述结果对粉体的表面特性进行分析评估。

（3）确定表面修饰剂的类型及处理工艺。

表面修饰剂的选用原则是必须能降低纳米粉体的表面能态，消除纳米粉体的表面电荷及表面引力。对以增加纳米粉体与其他介质黏结力为目的的表面改性，还必须要求修饰剂与粉体和介质有较强的亲和力。

2、纳米粉体表面修饰目的

纳米粉体经表面改性后，其吸附、润湿、分散等一系列表面性质都将发生变化，有利于颗粒保存、运输及使用。通过修饰纳米粉体表面，可以达到以下目的。

（1）保护纳米粉体，改善粉体的分散性。

（2）提高纳米粉体的表面活性，为纳米粉体的偶联、 接枝创造了条件。

（3）界面的微观结构和性质直接影响界面的结合力和复合材料的力学性能。

（4）选择合适的修饰剂可使纳米粉体与分散介质达到良好的浸润状态，改善纳米粉体与分散介质之间的相容性。

（5）为纳米材料的自组装奠定基础。

SnO₂-石墨烯纳米复合粉体自组装制备三元有序纳米复合材料

三、纳米粉体表面修饰方法

纳米粉体表面修饰方法主要有：表面物理修饰法、表面化学修饰法。

1、表面物理修饰法

表面物理修饰法通过吸附、涂敷、包覆等物理手段对微粒表面进行改性，如表面吸附和表面沉积法。

（1）表面吸附

表面吸附是通过范德华力将异质材料吸附在纳米粉体的表面，防止纳米粉体的团聚。

例如：采用表面活性剂修饰纳米粉体，表面活性剂分子能在颗粒表面形成一层分子膜，阻碍了颗粒之间的相互接触，增大了颗粒之问的距离，避免了架桥羟基和真正化学键的形成。

（2）表面沉积

表面沉积是将一种物质沉积到纳米粉体表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包覆层。

例如：利用溶胶可实现对无机纳米粉体的包覆，改善纳米粉体的性能。用Cu、Ag对纳米TiO₂粉体表面进行修饰，可明显提高其杀菌效能；用Pt对纳米TiO₂粉体表面进行修饰后，可以制备新型光电阴极材料。

包覆铂颗粒的TiO₂新型光电阴极材料

2、表面化学修饰法

表面化学修饰法是纳米粉体表面原子与修饰剂分子发生化学反应，改变其表面结构和状态的方法，是纳米粉体分散、复合等的重要手段。

（1）酯化反应法

酯化反应法是利用酯化试剂与纳米粉体表面原子反应，原来亲水疏油的表面变成亲油疏水的表面。

适用于表面为弱酸性或中性的纳米粉体，如SiO₂、Fe2O₃、TiO₂等的改性。

（2）偶联剂法

SiO₂等纳米粉体的表面能较高，与表面能较低的有机物亲和性较差，两者复合时不能相容，在界面上出现空隙，导致界面处高聚物易降解、脆化。将纳米粉体表面经偶联剂处理可使其与有机物具有很好的相容性。

硅烷偶联剂是常见的偶联剂之一，修饰表面具有羟基的无机纳米粉体材料非常有效。

硅烷偶联剂应用原理示意图

（3）表面接枝改性法

表面接枝改性法分为：偶联接枝法、聚合生长接枝法、聚合与接枝同步法。

表面接枝改性法示意图

偶联接枝法：纳米粉体表面官能团与高分子直接反应实现接枝。

聚合生长接枝法：单体在纳米粉体表面聚合生长，形成对纳米粉体的包覆。

聚合与接枝同步法：单体在聚合的同时被纳米粒子表面强自由基捕获，形成高分子链与纳米粉体表面的化学连接。

表面接枝改性充分发挥了无机纳米粉体与高分子各自的优点，可实现功能材料的优化设计。此外，纳米粉体表面接枝后，大大提高了其在有机溶剂和高分子中的分散性，可制备高纳米粉含量、高均匀分布的复合材料。

四、表面修饰在纳米粉体制备中的应用

纳米粉体表面修饰不仅可以获得稳定和具有良好分散性的纳米粉体粒子， 而且通过修饰剂分子与粒子表面的相互作用可控制其光物理及化学过程。

1、半导体纳米粉体表面修饰

由于具有低的表面原子对称性与缺乏长程有序结构，半导体纳米粒子具有量子限域等特殊效应，表现出独特的光、电特性。

目前，已经制备出各种表面活性剂包覆的和具备核壳式包覆结构的半导体纳 米粉体材料，如CdS/Ag₂S及CdSe/ZnS 等。

CdSe/ZnS核壳式包覆结构示意图

2、稀土化合物纳米粉体表面修饰

稀土元素具有4f电子层，稀土化合物具有许多特殊的性质，常用作润滑脂添加剂，可显著提高润滑脂的极压性能。因此，开发稀土材料在润滑领域的应用具有重要意义。

目前，采用纳米稀土化合物与超细金属粒子复合改性，可彻底解决纳米金属粒子的团聚，为制备高性能纳米改性复合材料奠定了基础，进一步拓展了稀土材料的应用领域。

3、氧化物纳米粉体表面修饰

氧化物纳米粉体具有许多特殊的物理和化学性质，如磁性氧化物纳米粉体可作为药物的主要载体进行靶向给药，也可用于细胞及DNA的分离等，但容易形成带有弱连接界面、尺寸较大的团聚体。如在其表面键合一层有机修饰分子，可减少纳米粒子之间的团聚，改善其分散性。

目前，磁性纳米粉体广泛应用于DNA的分离和纯化、生物传感器和生物芯片技术等领域。

生物传感器应用领域

4、金属纳米粉体表面修饰

金属纳米粉体常用微乳液法制备，在金属纳米粉体形成的同时被表面活性剂所修饰，也可外加修饰剂对其修饰，以获得不同性能的金属纳米粉体。

例如利用 PVP作修饰剂，采用乳液聚合法制备的银一聚苯乙烯核壳纳米粉体材料，可以实现组元材料的优势互补或加强，能有效地利用贵金属纳米组元的独特性能，在抗菌自洁净、电磁屏蔽和细胞分离等方面应用前景广阔。

作者：李波涛