基于多元醇法的纳米银颗粒制备探析,无机化学论文

基于多元醇法的纳米银颗粒制备探析,无机化学论文摘要：纳米银材料具有独特的局域外表等离子体共振效应，而且其性能能够由形貌、组分和微观尺寸来调控。为了探究多元醇法反响参数对纳米银光学性能的影响，通过改变聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与AgNO3的摩尔比、反响温度以及复原剂来制备不同形貌和尺寸的纳米银。结果表示清楚，反响温度较低或复原剂的复原性较弱时，有助于获得形貌可控的类球形纳米银颗粒，对应的吸收峰较窄。在PVP/AgNO3摩尔比为3︰1，反响温度150℃，乙二醇为复原剂和溶剂时，纳米银的吸收范围可拓展到近红外区，在太阳能光热转换、光热治疗等领域有着潜在的应用前景。本文关键词语：纳米银;多元醇法;等离子体共振吸收;Abstract：Nano-silvermaterialshaveuniquelocalizedsurfaceplasmonresonanceeffect,andtheirpropertiescanbecontrolledbymorphology,compositionandmicroscopicsize.Inordertoinvestigatetheinfluenceofreactionparametersofpolyolmethodontheopticalpropertiesofnano-silver,differentmorphologiesandsizesofnano-silverwerepreparedbychangingthemolarratioofPVPtoAgNO3,reactiontemperatureandreducingagents.Whenthereactiontemperatureandreducingabilityarelow,itishelpfultoobtainsphericalsilverparticleswithcontrollablemorphologyandnarrowabsorptionpeak.WhenthePVP/AgNO3molarratiois3︰1,reactiontemperatureof150℃,ethyleneglycolasreducingagentandsolvent,theabsorptionrangeofnano-silvercanbeextendedtonearinfraredregion,whichhaspotentialapplicationprospectsinsolarphotothermalconversionandphotothermaltherapy.Keyword：Nano-silver;Polyolmethod;Plasmonresonanceabsorption;纳米银具有优良的导电、导热、光学性能以及催化活性，并且在抗菌性能和生物相容性方面表现特别出色，因此被广泛应用于纳米电子器件、光学材料、新型生物医药复合材料以及高效催化剂等领域[1]。更为重要的是，纳米银材料具有独特的局域外表等离子体共振效应[2]，使银纳米粒子在生物传感器、基因标签、外表加强拉曼光谱、红外热疗、生物标记等方面展现出宏大的应用前景。贵金属纳米粒子的性质受它们的成分、形貌、尺寸以及结晶度等因素影响很大[3]，因而，合成形貌可控的纳米材料至关重要。银在光学频率范围内显示出高等离子体共振响应和低等离子体损耗。制备纳米银的常用方式方法有电化学法、模板法、水热合成法、化学复原法、多元醇法等。当前，多元醇法在合成形貌可控的贵金属纳米材料方面是行之有效的[4]。多元醇法是指在一定温度条件下，在多羟基醇(常用的多元醇是乙二醇、聚乙二醇等)溶液中将金属离子复原出来，利用外表活性剂(如聚乙烯吡咯烷酮)进行诱导生长。通太多元醇法已经成功地制备出各种形貌不同、尺寸均一的纳米银材料[5]，包括银纳米线、纳米方块、纳米球体、纳米三角、双锥体等。这种方式方法可控性好，原理简单，应用广泛，大大丰富了纳米材料的化学合成领域。本文基于多元醇法制备纳米银颗粒，使用乙二醇作为溶剂和复原剂，使用聚乙烯吡咯烷酮(PVPK30)作为诱导剂，探究不同参数下纳米银的合成和演化规律，并研究了纳米银的光学特性。1、实验量取20mL乙二醇，放入三口烧瓶，放置于硅油浴加热到指定温度，同时磁力搅拌。将10mL浓度为0.1mol/L的AgNO3乙二醇溶液参加到上述预热的乙二醇溶液中，紧接着缓慢滴入PVPK30的乙二醇溶液，5min内滴完。实验从刚开场参加PVP起计时，反响90min后停止，自然冷却。实验经过中5min、20min、40min、60min、80min分别取样，用于紫外-可见光消光光谱检测。冷却至室温后，把产物移入离心管参加无水乙醇洗涤，放入高速离心机以8000rpm转速离心分离10min，去除吸附在外表的PVP，离心分离4～5次。2、结果与讨论由于120℃时乙二醇的复原性较弱，反响较慢，需要较长时间才能将硝酸银复原。当乙二醇预热温度到达180℃时，硝酸银溶液就立即被乙二醇复原出来，溶液变浑浊。因而温度影响反响进行的速率，温度越高，乙二醇复原性越强，反响进行得越快。图1是不同反响温度对应样品的XRD图谱。图中都存在清楚明晰的衍射峰，与银的标准图谱(JCPDS04-0783)相符合，分别对应着面心立方构造银的(111)、(200)、(220)和(311)晶面。纳米银样品的XRD图谱中没有其它杂质峰的存在，讲明样品纯度高。图中的三个样品的(111)晶面衍射峰最为明显，分别位于38.46、38.35和38.33，并且(111)面与(200)面衍射强度比值分别为：3.62、4.51、3.87，均高于理论值2.5，讲明三个样品均富含(111)晶面构造，可能是由于外表活性剂PVP对银晶面的选择性吸附作用，使(111)面生长迅速。图1反响温度为120℃、150℃、180℃对应产物的XRD图谱Fig.1XRDpatternsofcorrespondingproductsat120℃,150℃and180℃图2是不同反响温度对应样品的SEM图。反响温度为120℃时，样品多为形状无规则、尺寸大小差异较大的类球形颗粒，除了多数粒子呈不规则球体外，还存在少量的棒状纳米银；反响温度为150℃时，样品形状和大小差距较小，形貌也多是不规则球形，棒状颗粒较少；当反响温度上升到180℃时，样品变为纳米线为主，长达数微米，但还有不少粒径大小不一的类球形颗粒。图2不同反响温度对应纳米银的SEM图Fig.2SEMofnano-silveratdifferentreactiontemperatures图3为不同样品在190～1100nm波段的消光光谱。分别取反响时间为5min、20min、40min、60min、80min的样品溶液各500L，稀释到一样浓度。从图3a能够看出，随着反响时间的延长，消光曲线不仅吸收峰变强，并且峰值波长逐步发生红移，讲明纳米银粒子在不断生长，其浓度变高、尺寸变大，进而导致吸收加强，峰值波长红移。由于120℃温度较低，乙二醇复原性弱，反响进行较慢，40min内波形半高宽较窄，讲明产物粒度分布较为均一，形貌控制得较好。反响时间延长到3h，产物的峰值波长没有进一步红移，但是曲线半高宽变宽，吸收波段拓展到近红外区，讲明此时的粒径分布极不均一，与图2的SEM图一致。图3b是反响温度150℃的产物对应的消光光谱。5min时构成少量球形颗粒，吸收峰值低。随着时间的延长，吸收峰值逐步升高，半高宽变大，讲明粒径分布不均一。图3c中刚开场出现两个吸收峰，可能是棒状构造的纳米银，并且波形半高宽较大，尺寸不均匀[6]。从图2的SEM图中可看出，产物中既有线状，也有颗粒状，因此最终的消光光谱范围较宽。比照120℃、150℃、180℃最终产物的消光光谱发现，峰值波长分别为：440nm、441nm以及435nm，半宽高都很宽，但150℃样品的吸收更强。图3不同反响温度样品对应的消光光谱：(a)120℃，(b)150℃，(c)180℃Fig.3Extinctionspectraofthesamplesat120℃(a),150℃(b)and180℃(c),respectively3、结论本文以乙二醇为复原剂、PVP为诱导剂合成了一系列纳米银颗粒，通过调节反响温度、PVP的量以及复原剂，得到的纳米银呈类球形颗粒与纳米线并存，粒径较大且分布较宽，吸收波段拓展到近红外区。反响温度和复原剂对纳米银的合成影响较大。较低温度时，乙二醇复原性较弱，适于合成形貌可控的类球形纳米颗粒，对应的吸收峰较窄。通过对各影响因素的研究，得出了宽吸收带纳米银的最佳工艺条件：PVP/AgNO3摩尔比3︰1，反响温度150℃，复原剂和溶剂为乙二醇，纳米银的吸收波段为350～1100nm。以下为参考文献[1]NishimotoM,AbsS,YonezawaT.PreparationofAgnanoparticlesusinghydrogenperoxideasareducingagent[J].NewJournalofChemistry,2021,42(17):14493-14501.[2]VermaA,GuptaRK,ShuklaM,etal.Ag-Cubimetallicnanoparticlesasefficientoxygenreductionreactionelectrocatalystsinalkalinemedia[J].Journalofnanoscienceandnanotechnology,2020,20(3):1765-1772.[3]LiHR,HeYR,LiuZY,etal.SynchronoussteamgenerationandheatcollectioninabroadbandO2core-shellnanoparticle-basedreceiver[J].AppliedThermalEngineering,2021,121:617-627.[4]FievetF,Ammar-MerahS,BraynerR,etal.Thepolyolprocess:auniquemethodforeasyaccesstometalnanoparticleswithtailoredsizes,shapesandcompositions[J].ChemicalSocietyReviews,2021,47(14):5187-5233.[5]BanditaM,DeepakK,NimishaS,etal.Morphological,plasmonic,andenhancedantibacterialpropertiesofAgnanoparticlespreparedusingZingib