综述：铋基纳米材料的探索：从基本概念到创新合成技术与新兴应用
《Coordination Chemistry Reviews》：Exploration of bismuth-based nanomaterials: From fundamental concepts to innovative synthesis techniques and emerging applications
【字体：
大
中
小
】
时间：2025年05月07日
来源：Coordination Chemistry Reviews 20.3
编辑推荐：
这篇综述聚焦铋基纳米材料，详细介绍其独特性质、多种合成方法（如溶胶 - 凝胶法、水热法等），阐述在医疗（生物医学）、环境、能源（太阳能电池、超级电容器）等领域的应用，还探讨未来研究方向，值得一读。
铋基纳米材料的探索：从基本概念到创新合成技术与新兴应用
引言
铋（Bi）是合成多种纳米材料的重要平台，如纳米颗粒、纳米线、纳米管和纳米片。它具有无毒、成本效益高、抗磁性等独特内在特性，形态可灵活改变。单元素纳米材料具备可调节带隙、独特结构及出色物理化学性质，化学组成使其拥有强近红外光吸收、高 X 射线衰减率、卓越光热转换和长血液保留时间等特性。
铋能与多种材料形成复合材料，如金属、非金属、聚合物、水凝胶、气凝胶、光子晶体、木炭和石墨烯等。铋合金用于冶金可提高可加工性、降低金属毒性；铋纳米颗粒（Bi NPs）能提升聚合物基质的机械和热性能；铋基产品有抗菌活性，可清洁水凝胶和气凝胶中的环境污染物；光子晶体中的铋化合物能精确调控光传输；铋 - 木炭与石墨烯的复合材料兼具粘附性和导电性，用于环境监测、水净化和电子设备。
铋基纳米材料的合成方法多样，水热合成通过高温高压在水溶液中使铋前体发生化学反应制备纳米晶体；溶胶 - 凝胶技术先水解、缩合铋前体形成凝胶，再热处理得到特定形状的纳米颗粒；微波辐照可通过持续成核和生长控制 Bi NPs 尺寸分布；微乳液系统在有限反应体积内制备铋前体，合成窄分布且均匀的纳米颗粒；物理气相沉积、化学气相沉积（CVD）等气相合成方法可在基底上使气相物种冷凝制备 Bi NPs，并控制其尺寸和排列；燃烧法利用铋前体与燃料在燃烧火焰中的放热反应制备纳米颗粒；绿色合成则使用植物提取物或生物源还原剂，依靠天然生物还原物质和封端分子制备生物相容性纳米材料。
铋基纳米材料应用广泛，在医学领域对耐药疾病有显著疗效；在光伏领域可提高太阳能电池效率和稳定性；因其高储能容量和快速充放电速率，适用于超级电容器，用于便携式电子设备、电动汽车和大规模储能；还可作为高灵敏度和选择性的传感器，用于环境监测、医学诊断和食品安全检测。
从 Web of science（2000 - 2024）数据来看，铋基纳米材料的研究主要集中在光催化、癌症治疗、电解和铁电性能、能源应用、电化学传感和光学等六个领域。31 个国家参与研究，美国、中国和印度贡献突出，国际合作对该领域研究意义重大。
铋基纳米材料的基础
铋是后过渡金属，具有多种特殊性质，如彩色氧化膜、低导热性、高电阻和抗磁性等，这些性质使其可用于布线、铸造和消防安全设备等，其低毒性和药用特性在消防安全设备应用中尤为关键。
合成方法
铋基纳米材料的合成方法众多，不同应用需求促使这些方法的产生。除上述提及的水热法、溶胶 - 凝胶法、微波合成法、溶剂热法、微乳液法、激光烧蚀法、气相沉积法、燃烧法和绿色合成法外，每种方法都有其独特优势，研究人员可根据具体需求选择合适的合成方法。
表征技术
多种铋基纳米材料和纳米复合材料，如 BiOX（X = Cl、Br、I）、BiVO4、Bi2Te3、BiFeO3和 Bi2S3等，因不同应用需要专门的表征技术。例如，扫描电子显微镜（SEM）可清晰观察 BiOBr 微球的分层花状排列，这与有机污染物去除过程中的光催化效果直接相关。
铋基纳米材料的应用
铋基纳米材料因其可调节的带隙结构、出色的稳定性和环保特性，受到多学科领域的关注。在环境领域，Bi2O3及其复合材料可作为高效光催化剂，利用可见光降解有机污染物，如染料和药物，增强电荷转移。在医学领域，用于疾病治疗，特别是对抗耐药疾病。在能源领域，Bi NPs 有望提高太阳能电池的效率和稳定性，推动可再生能源技术发展；其高储能和快速充放电特性使其成为超级电容器的理想材料。在传感器领域，因其高灵敏度和选择性，可检测不同分析物，用于环境监测、医学诊断和食品安全检测。此外，在农业领域，可用于作物保护和增产；在组织工程领域，可用于支架和再生解决方案的开发。
未来展望
在合成方面，探索更绿色、可持续的铋基纳米颗粒生产方法是有前景的方向，研究仿生或环保方法有助于减少环境影响。研究连续流合成技术和自动化，可提高生产规模和重复性，增加工业价值。在应用方面，探索靶向药物递送、诊疗一体化等创新领域，有望进一步拓展铋基纳米材料的应用范围。
结论
本综述聚焦铋基纳米颗粒和纳米复合材料的性能、合成技术及应用领域，介绍了其合成背景，展示了在抗菌、光伏、超级电容器和光催化等方面的应用。未来，绿色合成以及与其他领域科学家的合作将为铋基纳米材料的研究带来更多改进和发展潜力。
相关新闻