中國粉體網訊 空心碗形材料是基于空心球形材料進一步設計的材料，不僅繼承了空心球比表面積大、比重小等優點，還具有弱對稱幾何結構帶來的獨特性能。例如，顆粒間可以發生堆棧行為，提高粉體振實密度，作為電極材料時，可以提高體積比容量；形狀上類似血紅細胞，與球形材料相比，具有更好的生物相容性；其內凹面可以有效的聚集光、電子束。因此，碗形材料在傳感、電極、催化、藥物運輸等特定領域具有廣闊的應用前景和市場價值。
由于空心碗形粉體顆粒結構復雜(空心、弱對稱性)，高質量粉體的大規模制備仍然十分困難，特別是對其生長行為和生長機制缺乏深入理解，限制了該材料的廣泛應用。
碗形粉體材料的合成
模板法
由于碗形粉體材料具有結構特異性(空心、弱對稱性)，合成碗形結構材料時，通常需要用到結構導向劑一一模板，誘發前驅物形核時，發生特定的形核位置，并限定其生長方向。因此，模板法制備碗形材料是研究者們主要研究課題之一。在模板法中，可根據合成材料的大小和形貌設計模板，同時也可以根據模板的空間限域作用和模板劑的調控作用對合成材料的大小、形貌、結構、排布等進行控制。在不同的實驗條件下，利用模板的作用，合成出不同組分的碗形材料。
制備碗形材料所需的模板可以是碗形的，也可以是球形的，通常有三種模式，模具法、切削法、內凹法。模具法是指利用碗的內凹(或外圓)部分為模具，直接得到碗形粉體；切削法是指在球形模板表面生長一層目標產物，形成核殼結構，削去一半并去除剩余模板，即可得碗形材料；內凹法同樣需要形成核殼機構，在去除模板的過程，通過控制模板逃逸速度，可以在殼上生成指向內部的毛細力，使殼慢慢向內凹陷，最終形成碗形。
模板法根據其自身的特點和限域能力的不同又可分為硬模板和軟模板兩種。硬模板，包含無機物和聚合物。自發現硬模板具有直接、便于控制材料大小、形狀和結構等優勢后，硬模板法現在已經廣泛成為制備碗形材料的方法。
軟模板，一般為小分子有機物和一些表面活性劑，包括兩親分子形成的各種有序聚合物，如液晶、膠團、微乳液、超分子膠束、聚合物聚集/囊泡、氣泡等。其中，微乳液是軟模板法的一種重要形式，微乳液是由表面活性劑、助表面活性劑(胺類或者醇類)、油類和水組成的宏觀上均一而微觀上不均勻的、透明的、不導電的、各向同性的液-液均相熱力學穩定體系。
氣相沉積法
氣相沉積法，分為化學氣相沉積、物理氣相沉積兩類，是一種應用于各種薄膜材料的技術。對于制備碗形材料來說，由于其結構的特殊性，通常需要與模板法相結合，在固態基體表面首先沉積一層球狀模板，一般為硬模板，可以是硅球、二氧化硅球和聚苯乙烯球等，將目標物質沉積在模板表面，再處理去除模板，得到碗形材料。
液相沉積法
使用液相沉積法制備碗形材料，與氣相沉積法類似，通常需要與模板法相結合，使沉淀反應在模板表面發生，通過后續的處理獲得碗形材料。硬模板可以是硅球、二氧化硅球和聚苯乙烯球等。
動態溶脹法
動態溶脹法是Okubo等人提出概念，他們采用此方法制備了單空心單分散的聚二乙烯苯微米級膠粒并可以控制中空孔的大小。動態溶脹法通常分成三步，即溶脹、共聚和提取。首先采用種子聚合合成乳膠粒，然后用甲苯和二乙烯苯將乳膠粒溶脹，并引發使二乙烯苯聚合，聚合完畢后除去甲苯形成以為殼的中空微球。
碗形粉體材料的應用
儲能材料
碗形結構材料擁有很多特性例如比表面積大、比重小、相對較高的振實密度和結構穩定等優點，在超級電容器、鋰離子電池、鋰硫電池體系、鋰氧電池體系中均展現出巨大的應用潛力。
燃料電池的催化材料
燃料電池通常是通過在電池陰極諸如氫氣、甲醇或乙醇等燃料的電化學催化氧化產生電流，其性能主要取決于電極處氧還原反應的電催化效果。傳統碳載貴金屬催化劑十分昂貴，阻礙了燃料電池的廣泛應用和商業化。正因為這個原因，很多工作集中在降低甚至避免貴金屬的使用同時而又不降低催化性能和能量效率。通過軟模板法制備的摻氮單層多孔碗形碳球，在氧還原反應上表現出了比碳負載鉑更好的催化性能。
藥物輸運材料
在癌癥等重大疾病的化學治療中，療效低、毒副作用大是致命缺陷。藥物輸運系統(DDS)是最有希望解決這一缺陷的方案之一，其中載體材料是DDS的關鍵技術。目前包括膠束、脂質體和無機納米材料等在內的多種納米材料都已經嘗試用于構建聯合抗腫瘤納米載體，并達到了較好的預期效果。通過硬模板法制備出的多孔空心碗形碳球，作為抗癌藥物的載體，在藥物吸附和釋放以及靶向釋放方面表現出優異的性能。
資料來源：張自利. 碗形粉體材料的模板合成與調控[D].北京科技大學,2019.
（中國粉體網編輯整理/平安）
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