纳米颗粒尤其是无机纳米粒子在催化，能源，生命科学以及传感等领域都表现出了卓越的性能，从而受到广泛的关注。由于纳米材料本身的特性，为了保证在实际使用时的稳定性与长效性，一般会采用将纳米粒子以负载或原位构筑的方式与基底材料结合，从而获得负载型催化剂，导电织物等改性材料。通过与纳米技术的结合，可以获得多种功能性纤维材料，应用在可穿戴，抗菌，能源催化领域。
 

纳米改性纤维的应用场景

在纤维表面沉积纳米材料的方式有多种，可分为原位与非原位的方式。通常将在纤维表面直接构筑纳米结构的方式称为原位合成，该方式可得到负载均匀的纤维材料，但依赖前驱体在纤维表面的化学合成过程，且会产生较多的化学废料，限制了其进一步的发展。

非原位的方法即先制备纳米材料，并将其加工为分散液，利用浸渍提拉或者喷涂等手段实现纳米负载。该方法容易造成分布不均，还会造成原料的大量浪费。
 

液相法沉积

气相沉积是一种较为成熟的沉积方案，但传统的方式如：蒸发法或溅射法，离子镀都依赖于真空环境，设备较为复杂，同时对基底纤维可能造成热损伤和机械损伤。同时，由于纤维膜本身具备一定的厚度，真空镀膜的方式很难保证颗粒能穿透进入孔隙之中。原子层沉积技术是一种灵活性高，且可控性强的薄膜沉积技术，其穿透性强，从单原子到致密的薄膜的合成均可满足。但对于有机聚合物纤维基底，其反应效率太低，且工艺要求较高，目前尚无工业应用。
 

气相以及电镀沉积方案

对于催化等应用，理想的负载结合为小尺寸的纳米颗粒均匀的分散在纤维表面，而不是形成致密的薄膜，同时由于纤维膜有一定的厚度，传统的方案很难保证纤维膜的表层与内层都负载有均匀的颗粒。

因此，一种环保，简便的纳米颗粒负载技术对于开发新一代功能纤维材料非常重要。但目前的方案，包括使用 PVD 或 CVD 的方法，都很难做到纤维层内外的均匀负载，同时获得的多为薄膜层，而不是分散的纳米粒子团簇。而在催化反应中，这些分散的颗粒才是反应的活性位点。
 

内外兼修才是纤维负载的目标

事实上，纳米级的颗粒如果更换分散介质在气相环境中，也可以形成一种稳定的分散系：气溶胶。而将气溶胶技术与过滤技术结合，便可以轻松实现纤维表面的负载沉积。这一方法借鉴了“口罩”过滤的方式，纳米级气溶胶会在气流的带动下，从过滤介质的孔隙中穿过，颗粒则会在这一过程中均匀的分散在基底表面与内层。
 

利用“过滤”的方式均匀的负载纳米粒子

这一方法原理与过滤空气中的有害颗粒物类似，气溶胶颗粒会在气流的带动下实现均匀的沉积。而产生纳米气溶胶的方式则为一种全新的大气压等离子火花烧蚀技术。这一方法可在常压条件下，温和的实现纳米粒子的软着陆，避免了热冲击对于基底的破坏，同时保证了颗粒在纤维基底表面的分散以及粒径控制。该方法可以实现单质，氧化物，合金在内的多种纳米复合体系制备，并且与多种技术进行结合。
 

火花烧蚀产生纳米级气溶胶

火花烧蚀利用的是大气压等离子火花放电，从而将导电的靶材烧蚀产生纳米气溶胶。通过气流的控制可以实现颗粒粒径的控制，在过滤的机制下实现沉积，而在过滤作用发生效果的过程中，主要有四种机制实现颗粒物的收集：

1. 扩散作用
 

扩散沉积是大部分小颗粒收集的方式
 

气溶胶颗粒在气体介质中会不断地做布朗运动，纤维材料有极大的概率收集偏离气流中心的小颗粒。这一方式可以收集绝大多数的超细颗粒物质，且分散性最好。
 

扩撒机制沉积的颗粒可以保证良好的分散性

2. 拦截作用

拦截作用贡献了绝大部分较大的颗粒

拦截机制是颗粒在运动的过程中，由于纤维的阻挡会使气流偏移，而当颗粒中心之间的距离小于纤维直径与颗粒的半径之和，因此颗粒有较大概率会被纤维截留。对于较大的颗粒，拦截作用是主要的收集机制。
 

拦截作用会将一些稍大的颗粒拦截在纤维表面
 

3. 冲压作用
 

冲压机制会将较大颗粒集中在纤维边缘

当气流流速较快时，一部分质量较大的颗粒或团聚体具备较大的动量。在于纤维接触后，因为惯性的原因，大颗粒会来不及改变运动方向，从而被纤维拦截。而当沉积的时间足够久，通过冲压沉积形成的颗粒会结合成类似于蜘蛛网的结构，并且将孤立的纤维连接在一起。这种蜘蛛网结构保留了较多的气孔，从而有利于气体的扩散并暴露纤维本身的活性位点。
 

冲压机制会将大部分微米级惯性拦截

4. 静电吸附

如果基底纤维本身带有一定的电荷，如纺丝材料，则可有效吸附带电的气溶胶颗粒。通过火花烧蚀产生的部分颗粒会带有一定量的电荷，通过静电吸附可将这一部分颗粒有效收集。

整体而言，通过过滤的方式可以保证均匀且高效的颗粒收集，其收集效率可用以下公式计算：
 

E_tot = 1-(1-E_D)(1-E_R)(1-E_DR)(1-E_I )≈E_D+E_R+E_DR+E_I

其中：

E_tot：整体收集效率
E_D：扩散收集效率
E_R：拦截收集效率
E_DR：扩散+拦截联合收集效率
E_I：冲压收集效率

通过数据检测，我们可以看出，绝大部分的纳米级粒子都通过扩散机制吸附。而冲压和拦截对于大颗粒都有明显的收集效果。因此，可以利用扩散的方式将大部分的超细颗粒收集在纤维层中。
 

各种机制对于颗粒的捕捉效率
 

相关应用

正因为气溶胶沉积技术的独特性，不少科学家利用该方法制备了不同类型的功能纤维材料，而该技术简便环保的特性更让其成为理想的工业生产方法。荷兰 VSParticle 公司率先推出了基于火花烧蚀的纳米气溶胶沉积解决方案，利用该方法，可轻松在不同尺寸的纤维膜表层和内部沉积纳米粒子。
 

利用火花烧蚀气溶胶沉积多种不同颗粒
 

1. 催化

以碳基纤维材料为代表的纤维基材由于具备良好的导电性，是理想的电催化剂载体。但传统的方法为将催化剂制成分散液，利用浸渍喷涂等方法负载在纤维表面。该方法的弊端也很明显，喷涂的方式结合力较弱，且催化剂颗粒分布不均匀，很容易导致团聚。在纤维负载中，一个很常见的误区是认为纤维表面负载的颗粒涂层越厚越好，但在实际催化反应中，只有表层的颗粒以及分散性较好的小颗粒作为活性位点发生反应。因此，保证纤维表面颗粒的“岛状”分布，对于促进催化效果有积极意义。
 

纳米气溶胶 Ag 颗粒负载的碳布用于 HER 反应

2. 水处理

在水处理中，无机纳米粒子可以作为优异的吸附剂进行水体氮磷去除，尤其以 La 和 Ce 为代表的稀土族元素可有效吸附水体磷酸盐。采用火花烧蚀方法，可在静电纺丝薄膜中沉积纳米级氧化镧，并通过在线水和的方式直接获得 La(OH)₃ 负载的纤维，并取得了不错的磷酸盐吸附效果。
 

在线水合 + 火花烧蚀制备功能性 La(OH)₃ 负载的静电纺丝纤维
 

VSParticle 与火花烧蚀气溶胶沉积
 

VSParticle 是一家源自荷兰代尔夫特理工大学的初创公司，率先提出了火花烧蚀制备纳米颗粒的技术，并形成了完整的沉积解决方案。该技术的特点在于可对产生的颗粒进行粒径的控制，从而获得不同粒径中位值的单分散纳米气溶胶。此外该技术也能用于进行快速打印以及粉末表面的纳米沉积。
 

Nano Spark 系列
 

Nano Spark 系列聚焦火花烧蚀技术制备纳米材料的研究，并将不断介绍该技术的相关进展与应用。下一期将向大家介绍报告中火花烧蚀技术的典型应用，欢迎大家关注我们了解更多关于火花烧蚀技术的信息。

参考文献

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