银纳米颗粒可控制备及介尺度科学研究文献综述

 2022-12-24 01:12

开题报告内容:(包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段及文献综述,不少于2000字)

一、课题背景

银纳米粒子是指颗粒尺寸在1-100nm之间的纳米量级超细微银粒,这一尺寸处于原子簇和宏观物体的过渡区域,介于微观与宏观之间,是典型的介观(mesoscopy)系统[1]。当物质尺寸处于纳米量级时,受量子尺寸效应、表面效应、体积效应等效应影响,常表现出与常规体相材料不同的物理及化学特性,如:红外吸收带“蓝移”、介电常数改变、高催化效率等[2-4]。银纳米粒子也以其相关的独特性质在化工催化、医学治疗及诊断、抗菌、光学、超导材料和印刷等领域有着潜在而广泛的应用[5-8]。但是银纳米粒子的许多特性与应用都与其粒子尺寸、形貌以及粒子间相互作用密切相关,因此制备尺寸可控的银纳米粒子对其发展应用至关重要。

目前为止,已发展出制备银纳米颗粒的方法有很多,可以大致分类为物理制备、化学制备和生物制备。其中物理法主要有激光烧蚀法、真空冷凝法和机械球磨法;化学法主要有微乳液法、乳胶-凝胶法、水热法和还原法;生物法主要是通过利用自然界中各类微生物和天然有机材料制备银纳米粒子。在上述制备银纳米粒子的方法中,物理法由于不涉及化学变化,可以避免产生化学还原法常见的阴阳离子等杂质,但是该方法所需的设备较昂贵,产率低,生产成本高;化学法反应简单、生产成本低且可获得较小尺寸的纳米颗粒,因而更适合由于工业生产,但是此类方法常要额外用到添加剂,存在后处理的问题;生物法具有环境友好、能耗低、生物相容性好的特点,是一种绿色合成方法,但是存在着纳米粒子尺寸不稳定均一、易团聚等问题[9-10]。

在上述各类制备方法中,液相化学还原法因其工艺简单、操作方便、粒径尺寸易于控制的特点而广泛应用与工业生产中。其原理是在分散剂(常用的有柠檬酸盐、PVP、油酸等)的保护下,通过还原剂(常用的有NaBH4、乙二醇、水合肼、DMF、葡萄糖等)将溶液(通常是AgNO3溶液)中的Ag 还原为Ag单质颗粒,然后通过沉淀、过滤、洗涤、干燥等后处理工作最后得到成品[11-12]。

通过化学还原法,樊新等人在PVP和乙二醇保护下,用次磷酸钠作还原剂直接还原硝酸银获得15-25nm的规则球形银纳米颗粒。在加入柠檬酸三钠(Na3CA)和PVP时,Zhang[13]等人通过改变Ag离子被NaBH4还原过程中的成核和生长速率,将Ag纳米球大小和形状控制在6plusmn;0.8 nm至42plusmn;1.6 nm的范围内。在后来的研究中,Li[14]等人发现在通常的方法中只能作稳定剂的beta;-CD可以同时发挥稳定剂和还原剂的作用,在碱性条件下还原硝酸银,得到直径10-25nm的颗粒,同时该方法还能改善其催化活性。与之前的方法相比,此方法减少了刺激性试剂的使用,属“绿色合成”,对环境友好。

除了常用的在液相中通过还原剂直接还原Ag 的制备方法,人们在此基础上尝试加入微波、超声波等反应条件,或将间歇反应改变为连续反应,引入微混合技术等方式进一步探究了通过化学还原法可控制备银纳米颗粒的优化可能性。He[15]等人使用20s的功率为700W的微波作用代替了常用的油浴加热方式,在DMF/水混合溶液中还原Ag 得到了粒径更小、粒径分布更集中的银纳米颗粒。Lintag[16]等人使用打印-剥离技术制造了一微反应器并将其用于制备银纳米颗粒,实验得到了平均粒径为26nm的颗粒,与未使用微反应器的平行试验相比,产品粒径小、粒径分布集中。值得一提的是,使用这种方法的生产成本比商业生产的方法成本低50倍,具有很好的应用前景。在微反应器的基础上,Nam[17]等人开发了用导电性液体基聚焦表面声波技术(CL-FSAW)提高反应的混合作用,通过改变电压可以获得25-90nm的银纳米颗粒,而且颗粒的单分散性比层流状态下得到的颗粒更好。

  1. 要解决的问题

化学还原法制备银纳米颗粒因其反应简单、粒径可控而广泛用于工业生产,但是常规的方法会涉及到刺激性试剂或剧烈反应条件,按批制备的方法也不易控制产品粒径的稳定。本实验考虑采用基于Lee-Meisel法[18]的连续反应系统制备银纳米颗粒并探究最适合本反应系统的化学反应参数和流体流动参数。

  1. 可行性分析

本实验考虑在水溶液中使用柠檬酸钠还原硝酸银的连续反应系统,加超声波以提高混合效率。其中连续反应在Lintag的实验中对银颗粒的粒径控制有利,采用超声波促进混合效果基于Nam等人的实验中混合效率对生成颗粒粒径的影响。

  1. 研究方法和内容

1.设计基于Lee-Meisel法制备AgNPs的连续反应系统。

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