中国粉体网讯 空心碗形材料是基于空心球形材料进一步设计的材料，不仅继承了空心球比表面积大、比重小等优点，还具有弱对称几何结构带来的独特性能。例如，颗粒间可以发生堆栈行为，提高粉体振实密度，作为电极材料时，可以提高体积比容量；形状上类似血红细胞，与球形材料相比，具有更好的生物相容性；其内凹面可以有效的聚集光、电子束。因此，碗形材料在传感、电极、催化、药物运输等特定领域具有广阔的应用前景和市场价值。
由于空心碗形粉体颗粒结构复杂(空心、弱对称性)，高质量粉体的大规模制备仍然十分困难，特别是对其生长行为和生长机制缺乏深入理解，限制了该材料的广泛应用。
碗形粉体材料的合成
模板法
由于碗形粉体材料具有结构特异性(空心、弱对称性)，合成碗形结构材料时，通常需要用到结构导向剂一一模板，诱发前驱物形核时，发生特定的形核位置，并限定其生长方向。因此，模板法制备碗形材料是研究者们主要研究课题之一。在模板法中，可根据合成材料的大小和形貌设计模板，同时也可以根据模板的空间限域作用和模板剂的调控作用对合成材料的大小、形貌、结构、排布等进行控制。在不同的实验条件下，利用模板的作用，合成出不同组分的碗形材料。
制备碗形材料所需的模板可以是碗形的，也可以是球形的，通常有三种模式，模具法、切削法、内凹法。模具法是指利用碗的内凹(或外圆)部分为模具，直接得到碗形粉体；切削法是指在球形模板表面生长一层目标产物，形成核壳结构，削去一半并去除剩余模板，即可得碗形材料；内凹法同样需要形成核壳机构，在去除模板的过程，通过控制模板逃逸速度，可以在壳上生成指向内部的毛细力，使壳慢慢向内凹陷，最终形成碗形。
模板法根据其自身的特点和限域能力的不同又可分为硬模板和软模板两种。硬模板，包含无机物和聚合物。自发现硬模板具有直接、便于控制材料大小、形状和结构等优势后，硬模板法现在已经广泛成为制备碗形材料的方法。
软模板，一般为小分子有机物和一些表面活性剂，包括两亲分子形成的各种有序聚合物，如液晶、胶团、微乳液、超分子胶束、聚合物聚集/囊泡、气泡等。其中，微乳液是软模板法的一种重要形式，微乳液是由表面活性剂、助表面活性剂(胺类或者醇类)、油类和水组成的宏观上均一而微观上不均匀的、透明的、不导电的、各向同性的液-液均相热力学稳定体系。
气相沉积法
气相沉积法，分为化学气相沉积、物理气相沉积两类，是一种应用于各种薄膜材料的技术。对于制备碗形材料来说，由于其结构的特殊性，通常需要与模板法相结合，在固态基体表面首先沉积一层球状模板，一般为硬模板，可以是硅球、二氧化硅球和聚苯乙烯球等，将目标物质沉积在模板表面，再处理去除模板，得到碗形材料。
液相沉积法
使用液相沉积法制备碗形材料，与气相沉积法类似，通常需要与模板法相结合，使沉淀反应在模板表面发生，通过后续的处理获得碗形材料。硬模板可以是硅球、二氧化硅球和聚苯乙烯球等。
动态溶胀法
动态溶胀法是Okubo等人提出概念，他们采用此方法制备了单空心单分散的聚二乙烯苯微米级胶粒并可以控制中空孔的大小。动态溶胀法通常分成三步，即溶胀、共聚和提取。首先采用种子聚合合成乳胶粒，然后用甲苯和二乙烯苯将乳胶粒溶胀，并引发使二乙烯苯聚合，聚合完毕后除去甲苯形成以为壳的中空微球。
碗形粉体材料的应用
储能材料
碗形结构材料拥有很多特性例如比表面积大、比重小、相对较高的振实密度和结构稳定等优点，在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池体系、锂氧电池体系中均展现出巨大的应用潜力。
燃料电池的催化材料
燃料电池通常是通过在电池阴极诸如氢气、甲醇或乙醇等燃料的电化学催化氧化产生电流，其性能主要取决于电极处氧还原反应的电催化效果。传统碳载贵金属催化剂十分昂贵，阻碍了燃料电池的广泛应用和商业化。正因为这个原因，很多工作集中在降低甚至避免贵金属的使用同时而又不降低催化性能和能量效率。通过软模板法制备的掺氮单层多孔碗形碳球，在氧还原反应上表现出了比碳负载铂更好的催化性能。
药物输运材料
在癌症等重大疾病的化学治疗中，疗效低、毒副作用大是致命缺陷。药物输运系统(DDS)是最有希望解决这一缺陷的方案之一，其中载体材料是DDS的关键技术。目前包括胶束、脂质体和无机纳米材料等在内的多种纳米材料都已经尝试用于构建联合抗肿瘤纳米载体，并达到了较好的预期效果。通过硬模板法制备出的多孔空心碗形碳球，作为抗癌药物的载体，在药物吸附和释放以及靶向释放方面表现出优异的性能。
资料来源：张自利. 碗形粉体材料的模板合成与调控[D].北京科技大学,2019.
（中国粉体网编辑整理/平安）
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