CN103691962B - 一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法：S1.在清洗过基底上平铺一层食盐细粒；S2.用物理或化学沉积方法在基底上沉积5-20nm厚金属薄膜；S3.将样品于惰性气氛中退火处理：280~300℃保温10~20min，升温至430~450℃保温10~20min，再升温至580~600℃保温10~20min，在惰性气氛中冷却至室温；S4.去离子水中超声处理30-60min；S5.将步骤S4所得在2500-6000rpm转速下离心分离，移去上层清液；之后进行洗涤：用去离子水洗涤，在2500-6000rpm的转速下离心分离，移走上层清液；重复洗涤3次以上；S6.将步骤S5所得沉淀物烘干：在55~65℃保温10~30min，升温至85~95℃保温10~30min，自然冷却至室温，即得。本方法环境友好、反应条件温和且尺寸均匀可控，对设备的精细度要求降低，且制备中因涉及较少种类化学物质因而目标产物纯度更高。

Description

一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法
技术领域
本发明涉及一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法。
背景技术
由于其异于宏观金属相的优良物理化学性质，金属纳米颗粒在催化、传感、抗菌剂、数据存储、生物医学和表面增强拉曼光谱等诸多领域展露了巨大的应用潜力。而实现其物理化学特性调控的途径包括尺寸、形状及介电环境等的改变，比如金属纳米粒子的表面等离子体共振特性会灵敏地随上述因素的改变而变化。常用的制备尺寸可控的金属纳米颗粒的方法有：化学还原、激光烧蚀、电化学、微波辐照等，这些制备方法或使用了有机溶剂，或借力于有毒的还原剂、稳定剂或不可避免产生有毒副产物等，因而可能造成潜在的环境隐患和生物应用的风险。所以环境友好地制备尺寸可控的金属纳米颗粒具有非常重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提出一种环境友好、反应条件温和且尺寸均匀可控的金属纳米颗粒的制备方法。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
S1.在清洗过的任何廉价且耐一定温度的基底(比如石英玻璃、硅片、铝片等)上平铺一层食用食盐细粒(厚度无影响)，为充分利用金属材料尤其是贵金属，使食盐细粒将基底完全覆盖；
S2.通过物理或化学沉积等方法在步骤S1中经过处理的基底上沉积5-20nm厚的金属薄膜；
S3.将步骤S2所得包括基底、食盐和薄膜的样品于惰性气氛中退火处理，具体过程为：280～300℃保温10～20min，然后升温至430～450℃保温10～20min，之后升温至580～600℃保温10～20min，最后在惰性气氛中冷却至室温；
S4.将步骤S3所得样品置于去离子水中剧烈超声处理30-60min，食盐颗粒溶解，金属纳米颗粒悬浮于水中；
S5.将步骤S4中金属纳米颗粒的悬浮液在2500-6000rpm的转速下离心分离，移去上层清液；之后进行洗涤：用去离子水洗涤，在2500-6000rpm的转速下离心分离，移走上层清液；重复洗涤3次以上；
S6.将步骤S5所得沉淀物烘干，具体过程为：在55～65℃保温10～30min，然后升至85～95℃保温10～30min，自然冷却至室温，即可得纯度较高的相应金属纳米颗粒。
所述金属纳米颗粒材料为Al或Cu、Ag、Au、Ni金属及其合金。
所述的基底是金属、陶瓷或玻璃等；所述的清洗为用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗；所述的惰性气氛为氮气、氩气等。
所得金属纳米颗粒的粒径依步骤S2中沉积金属薄膜厚度及步骤S3中退火处理条件的不同，分布在10-150nm。
本发明避免了常规化学还原法制备过程中可能存在的前驱物或副产物有毒性等非环境友好的问题，同时其对设备的精细度要求降低，而且制备中因涉及较少种类化学物质因而目标产物纯度更高。另外该方法亦特别适用于由于活性高而通常的薄膜沉积并退火不易控制较小尺寸的金属纳米颗粒的制备比如铝。
本发明的有益效果是：
1.本发明所述金属纳米颗粒的制备方法，过程简单，可重复性高，且所使用设备简单易操作且精度要求低，因而技术难度和成本都相对降低。
2.本发明所述金属纳米颗粒的制备方法，反应效率高，使用的化学物质种类较少，因而目标产物金属纳米颗粒纯度更高。
3.本发明所述金属纳米颗粒的制备方法，根据沉积的金属薄膜厚度及后续退火处理条件的不同，获得的金属纳米颗粒的尺寸可调控，为其在各领域中的绿色应用提供了很多的可能。而且步骤S3中对薄膜的退火处理采用阶梯式逐步升温的方式，前面280～300℃通过原子的热扩散使原来连续薄膜变为不连续形成分立的岛状，接下来较高的430～450℃加速相邻岛的合并和收缩，最后在更高的580～600℃下颗粒间尺寸差距进一步缩小，由此过程获得的金属纳米颗粒粒度均匀，粒径分布非常窄。
具体实施方式
实施例一
本实施例的金属Ag纳米颗粒的制备方法为：
在丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗过的玻璃上完整地覆盖一层市购食盐细粒，以此为基底，真空热蒸发沉积厚度为5nm的Ag薄膜，然后在氮气气氛下退火：300℃保持10min然后升温至450℃保温10min再升温至600℃保温10min，保持氮气流冷却至室温。取出后置于去离子水中剧烈超声1h，反复离心、洗涤5次，沉淀物转移到干燥箱中，60℃保温20min然后85℃保温10min，自然冷却后即得到干燥的Ag纳米颗粒，其平均粒径为28nm，分布范围为24-34nm。
实施例二
本实施例的金属Au纳米颗粒的制备方法为：
在丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗过的玻璃上完整地覆盖一层食盐细粒，以此为基底，真空热蒸发沉积厚度为10nm的Au薄膜，然后在氮气气氛下退火：300℃保持10min然后450℃保温10min再升温至600℃保温10min，保持氮气流冷却至室温。取出后置于去离子水中剧烈超声1h，反复离心、洗涤5次，沉淀物转移到干燥箱中，60℃保温20min然后85℃保温10min，自然冷却后即得到干燥的Au纳米颗粒，其平均粒径为65nm，分布范围为59-71nm。
实施例三
本实施例的金属Al纳米颗粒的制备方法为：
在丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗过的玻璃上完整地覆盖一层食盐细粒，以此为基底，真空热蒸发沉积厚度为12nm的Al薄膜，然后在氮气气氛下退火：300℃保持10min然后450℃保温10min再升温至600℃保温10min，保持氮气流冷却至室温。取出后置于去离子水中剧烈超声1h，反复离心、洗涤5次，沉淀物转移到干燥箱中，60℃保温20min然后85℃保温10min，自然冷却后即得到干燥的Al纳米颗粒，其平均粒径为103nm，分布范围为92-112nm。
实施例四
本实施例的金属Ag纳米颗粒的制备方法为：
在丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗过的玻璃上完整地覆盖一层市购食盐细粒，以此为基底，真空热蒸发沉积厚度为20nm的Ag薄膜，然后在氮气气氛下退火：280℃保持20min然后升温至430℃保温20min再升温至580℃保温20min，保持氮气流冷却至室温。取出后置于去离子水中剧烈超声30min，反复离心、洗涤3次，沉淀物转移到干燥箱中，55℃保温30min然后95℃保温30min，自然冷却后即得到干燥的Ag纳米颗粒，其平均粒径为136nm，分布范围为124-148nm。

Claims (4)

1.一种尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
S1.在清洗过的基底上平铺一层食盐细粒；
S2.用物理或化学沉积方法在清洗过的基底上沉积5-20nm厚金属薄膜；
S3.将步骤S2所得包括基底、食盐和薄膜的样品于惰性气氛中退火处理：280~300℃保温10~20min，升温至430~450℃保温10~20min，再升温至580~600℃保温10~20min，最后在惰性气氛中冷却至室温；
S4.将步骤S3所得置于去离子水中超声处理30-60min，食盐颗粒溶解，金属纳米颗粒悬浮于水中；
S5.将步骤S4所得金属纳米颗粒悬浮液在2500-6000rpm转速下离心分离，移去上层清液；之后进行洗涤：用去离子水洗涤，在2500-6000rpm的转速下离心分离，移走上层清液；重复洗涤3次以上；
S6.将步骤S5所得沉淀物烘干：在55~65℃保温10~30min，升温至85~95℃保温10~30min，自然冷却至室温，即得相应金属纳米颗粒；
所述金属纳米颗粒材料为Al或Cu、Ag、Au、Ni金属及其合金。
2.根据权利要求1所述的尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤S2所述的金属薄膜的沉积方法为电子束蒸发或热蒸发、磁控溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、喷雾热分解方法。
3.根据权利要求1所述的尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所述的基底是金属、陶瓷、硅片或石英玻璃；所述的清洗为用丙酮、酒精和去离子水依次超声清洗；所述的食盐细粒为市售食用精盐；所述的惰性气氛为氮气或氩气。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的尺寸可控的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于：所得金属纳米颗粒的粒径依步骤S2中沉积金属薄膜厚度及步骤S3中退火处理条件的不同，分布在10-150nm。
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