CN108315769A - 一种金属纳米颗粒的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属纳米颗粒的制备方法，利用电化学技术电解与金属氧化物接触的导电溶液，使得导电溶液与金属氧化物发生反应制备得到金属纳米颗粒，利用该方法得到的金属纳米颗粒粒径、形貌可控、纳米颗粒存在的区域范围可控，并且制备方法简单，成本低廉，可实现大面积生产，且整个过程无有害物质，符合绿色生产原则。
Description
技术领域
本发明涉及纳米材料的制备技术领域，尤其是涉及一种金属纳米颗粒的制备方法。
背景技术
纳米颗粒因其独特的性能，如量子尺寸效应、表面效应、界面效应、体积效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应等，引起了材料和催化领域的广泛关注，而纳米颗粒制备技术则是纳米材料性能研究和应用的重要基础。
譬如铟纳米颗粒具有独特的光学性质，可应用于超导材料、催化剂、电子器件、气体传感器、表面增强拉曼散射和太阳能电池等领域。铟纳米颗粒的许多应用和其与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关，即金属粒子表面存在大量自由电子，当光照射到金属表面时，电子受光波作用发生集体共振，这共振就产生表面等离子波，致使局部场增强，由于铟纳米颗粒的诸多用途，其制备及应用引起越来越多的关注。正是由于铟纳米颗粒有很好的光学性能，因此对其制备方法的研究有很多。目前可分为两大类，第一类物理方法包括激光烧蚀法、超声辐射法、热蒸发法、液相分散法等，此类方法存在着颗粒粒径不可控且还需要复杂的实验设备等缺点，另一类是化学方法，包括钠还原法、离子液体中金属盐的还原、有机金属前躯体分解等，这类方法用到的原材料成本高且有毒，因此传统制备方法都存在着缺陷。
譬如金纳米颗粒因其突出的催化性能，已经成为纳米材料领域中的研究热点之一，常用的制备金纳米颗粒的方法是利用柠檬酸或壳聚糖进行氧化还原反应，但是需要较高的温度下反应，制备过程较为复杂，且难以实现大面积的制备。
总的来说，目前制备纳米颗粒的方法主要有化学沉淀法、模板法、溶胶-凝胶法等，但是化学沉淀法制备的金属纳米颗粒粒径通常较大且难以控制尺寸，模板法制备工艺较为繁琐，尤其去除模板较为困难，溶胶-凝胶法得到的金属纳米颗粒容易团聚，影响使用的效果。因此需要寻找一种制备工艺简单、成本低廉且能够大面积制备金属纳米颗粒的方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种金属纳米颗粒的制备方法。
本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种金属纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
(1)取或制备反应池，所述反应池包括衬底和设置在所述衬底上的围堰结构，所述围堰结构在所述衬底上围成反应区域，所述反应区域内制备有金属氧化物层；
(2)在所述反应池中加入导电溶液；
(3)连接电源，所述导电溶液与电源的正极电性连接，所述金属氧化物层与电源的负极电性连接，接通电源进行电解。
优选地，所述金属氧化物层的材料为铟锡氧化物、铝锌氧化物、锌锡氧化物、氧化锌、氧化金、氧化银、氧化铜、氧化铁中的至少一种。
优选地，所述导电溶液为去离子水、碱性溶液、酸性溶液、金属盐溶液中的任一种。
本发明中步骤(1)中反应池的衬底和围堰结构可以是一体成型，也可以是分步制备，优选地，步骤(1)具体为：取衬底，在所述衬底上制备金属氧化物层，再在所述金属氧化物层上制备围堰结构。
优选地，所述围堰结构的材料为聚合物。
进一步地，所述围堰结构的材料为丙烯酸酯聚合物、环氧树脂、水溶性压敏胶、硅胶中的任一种。
优选地，步骤(1)中所述金属氧化物层的制备方式为磁控溅射法、真空蒸发法、离子增强沉积法、激光脉冲沉积法、溶胶凝胶法、喷雾热解法、化学气相沉积法、均相沉淀法中的任一种。
优选地，所述衬底的材料为玻璃、石英、硅、聚合物中的任一种。
优选地，步骤(3)中所述导电溶液通过导线、导电板、带有导电层的基板中的任一种与电源的正极电性连接，所述金属氧化物层通过导线、导电板、带有导电层基板中的任一种与电源的负极电性连接。
进一步地，所述导线为金丝、银丝、铂丝、钨丝、铜丝、铝丝中的任一种；所述导电板为金板、银板、铂板、钨板、铜板、铝板中的任一种；所述带有导电层的基板为带有铟锡氧化物导电层的基板、带有FTO导电层的基板、带有ZTO导电层的基板中的任一种。
优选地，步骤(3)中电解的时间为0.5～60min。
优选地，步骤(3)中电解时的电场强度为0.1～100V/μm。
优选地，所述金属氧化物层的厚度为10～1000nm。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种金属纳米颗粒的制备方法具有如下有益效果：
1、本发明提供的金属纳米颗粒的制备方法，生产成本低，操作过程简易，能够实现大面积生产制备。
2.本发明提供的金属纳米颗粒的制备方法，通过控制金属氧化物层的厚度、施加的电场强度和电解时间得到的金属纳米颗粒形貌、粒径均匀且可控，金属氧化物层的厚度越大，相同条件下形成的金属颗粒越大，施加电场强度越大，短时间内颗粒尺寸越大、长时间后颗粒尺寸越小，在颗粒完全成型前，电解时间越长颗粒尺寸越大，当颗粒尺寸稳定后再继续电解，电解时间越长颗粒尺寸越小，本发明制备的金属纳米颗粒的粒径能够控制在10～1000nm范围内。
3.本发明提供的金属纳米颗粒的制备方法，可实现局部或者大面积产生，重复性好。
4.本发明提供的金属纳米颗粒的制备方法，节能环保，制备过程不产生有害气体和物质，符合绿色生产原则。
5.本发明提供的金属纳米颗粒的制备方法，为纳米颗粒的制备提供了一种新思路，拓展了电化学技术的应用范围。
附图说明
图1为实施例1中制备装置的基本构造图；
图2为实施例1中铟纳米颗粒的扫描电镜图；
图3为实施例2中制备装置的基本构造图；
图4为实施例2中铟纳米颗粒的扫描电镜图；
图5为实施例3中铟纳米颗粒的扫描电镜图；
图6为实施例4中铟纳米颗粒的扫描电镜图；
图7为实施例5中铟纳米颗粒的扫描电镜图；
图8为实施例6中一体成型的池体结构；
图9为实施例6中分步制备的池体结构。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例1
参见图1，本实施例在如图1所示的制备装置中制备金属纳米颗粒，制备过程包括如下步骤：
制备反应池11：取玻璃衬底111，将玻璃衬底111依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用溶胶凝胶法在玻璃衬底111上镀一层晶形铟锡氧化物薄膜112，用丙烯酸酯聚合物材料在晶形铟锡氧化物薄膜112的四周做成围堰结构113；
在上述反应池中加入去离子水12；
连接电源，去离子水12通过钨丝13连接电源正极，电源负极连接晶形铟锡氧化物薄膜112，接通电源进行电解，铟锡氧化物薄膜的厚度是25nm，施加的电场强度是0.33V/μm，电解时间是1.5min，最终得到的铟纳米颗粒粒径约60nm，其扫描电镜图如图2所示。
本实施例的制备原理基于电化学的氧化还原反应，反应如下：
阴极：In2O3+3H2O+6e-＝2In+6OH-；
阳极：4OH-＝O2+2H2O+4e-
在阴极极化的过程中，In3+被还原成金属铟，并在电场的作用下吸附在金属氧化物层的表面。随着电解过程的进行，表面上的金属铟结晶并逐渐形成颗粒产物并覆盖整个金属氧化物层的表面。
实施例2
参见图3，本实施例在如图3所示的制备装置中制备铟纳米颗粒，制备过程包括如下步骤：
制备反应池21：取石英衬底211，将石英衬底211依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用化学气相沉积法在石英衬底211上镀一层晶形的铟锡氧化物薄膜212，用水溶性压敏胶在晶形的铟锡氧化物薄膜212的四周做成围堰结构213；
在上述反应池中加入0.1M NaCl溶液22；
连接电源，0.1M NaCl溶液22通过带有FTO导电层的基板23连接电源正极，所述带有FTO导电层的基板23由FTO导电层231和基板232构成，电源负极连接晶形铟锡氧化物薄膜212，接通电源进行电解，铟锡氧化物薄膜的厚度是25nm，施加的电场强度是0.11V/μm，电解时间是1.5min，最终得到的铟纳米颗粒粒径约75nm，其扫描电镜图如图4所示。
实施例3
本实施例提供一种铟纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
制备反应池：取硅衬底，将硅衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用均相沉淀法在硅衬底上镀一层无定形的铟锡氧化物薄膜，用硅胶在无定形的铟锡氧化物薄膜的四周做成围堰结构；
在上述反应池中加入0.1M NaOH溶液；
连接电源，0.1M NaOH溶液通过金丝连接电源正极，电源负极连接无定形的铟锡氧化物薄膜，接通电源进行电解，铟锡氧化物薄膜的厚度是25nm，施加的电场强度是0.33V/μm，电解时间是1.5min，最终得到的铟纳米颗粒粒径约70nm，其扫描电镜图如图5所示。
实施例4
本实施例提供一种铟纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
制备反应池：取聚合物衬底，聚合物衬底的材料为PET膜，将聚合物衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用磁控溅射法在聚合物衬底上镀一层无定形的铟锡氧化物薄膜，用环氧树脂在无定形的铟锡氧化物薄膜的四周做成围堰结构；
在上述反应池中加入0.1M KOH溶液；
连接电源，0.1M KOH溶液通过铜丝连接电源正极，电源负极连接无定形的铟锡氧化物薄膜，接通电源进行电解，铟锡氧化物薄膜的厚度是25nm，施加的电场强度是0.11V/μm，电解时间是1.5min，最终得到的铟纳米颗粒粒径约85nm，其扫描电镜图如图6所示。
实施例5
本实施例提供一种铟纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
制备反应池：取玻璃衬底，将玻璃衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用真空蒸发法在玻璃衬底上镀一层晶形的铟锡氧化物薄膜，用环氧树脂在晶形的铟锡氧化物薄膜的四周做成围堰结构；
在上述反应池中加入0.01M H2SO4溶液；
连接电源，0.01M H2SO4溶液通过带有ZTO导电层的基板连接电源正极，电源负极连接晶形的铟锡氧化物薄膜，接通电源进行电解，铟锡氧化物薄膜的厚度是50nm，施加的电场强度是0.33V/μm，电解时间是2.5min，最终得到的铟纳米颗粒粒径约110nm，其扫描电镜图如图7所示。
实施例6
本实施例提供一种金纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
取一具有围堰结构313的池体结构310，所述池体结构310包括玻璃衬底311和设置在所述玻璃衬底311四周的围堰结构313，所述玻璃衬底311与所述围堰结构313可以是一体成型，也可以是分步制备。将池体结构310依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用离子增强沉积法在池体结构310中制备氧化金层312，所述氧化金层312覆盖在玻璃衬底311和/或围堰结构313上，制备得到反应池，所述反应池的结构如图8或图9所示。
在上述反应池中加入去离子水；
连接电源，去离子水通过金板连接电源正极，电源负极连接氧化金层，接通电源进行电解，氧化金层的厚度是10nm，施加的电场强度是0.1V/μm，电解时间是10min，最终得到的金纳米颗粒。
实施例7
本实施例提供一种锌纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：
制备反应池：取玻璃衬底，将玻璃衬底依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗15min，用氮气吹干，利用溶胶凝胶法在玻璃衬底上镀一层锌锡氧化物层，用丙烯酸酯聚合物材料在锌锡氧化物层的四周做成围堰结构；
在上述反应池中加入0.1M NaOH溶液；
连接电源，0.1M NaOH溶液通过钨板连接电源正极，电源负极连接锌锡氧化物层，接通电源进行电解，锌锡氧化物薄膜的厚度是1000nm，施加的电场强度是100V/μm，电解时间是60min，最终得到的锌纳米颗粒。
Claims (10)
1.一种金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取或制备反应池，所述反应池包括衬底和设置在所述衬底上的围堰结构，所述围堰结构在所述衬底上围成反应区域，所述反应区域内制备有金属氧化物层；
(2)在所述反应池中加入导电溶液；
(3)连接电源，所述导电溶液与电源的正极电性连接，所述金属氧化物层与电源的负极电性连接，接通电源进行电解。
2.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述金属氧化物层的材料为铟锡氧化物、铝锌氧化物、锌锡氧化物、氧化锌、氧化金、氧化银、氧化铜、氧化铁中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述导电溶液为去离子水、碱性溶液、酸性溶液、金属盐溶液中的任一种。
4.根据权利要求1所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)具体为：取衬底，在所述衬底上制备金属氧化物层，再在所述金属氧化物层上制备围堰结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述围堰结构的材料为丙烯酸酯聚合物、环氧树脂、水溶性压敏胶、硅胶的任一种。
6.根据权利要求1-4任一项所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述金属氧化物层的制备方式为磁控溅射法、真空蒸发法、离子增强沉积法、激光脉冲沉积法、溶胶凝胶法、喷雾热解法、化学气相沉积法、均相沉淀法中的任一种。
7.根据权利要求1-4任一项所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述衬底的材料为玻璃、石英、硅、聚合物中的任一种。
8.根据权利要求1-4任一项所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述导电溶液通过导线、导电板、带有导电层的基板中的任一种与电源的正极电性连接，所述金属氧化物层通过导线、导电板、带有导电层基板中的任一种与电源的负极电性连接。
9.根据权利要求8所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述导线为金丝、银丝、铂丝、钨丝、铜丝、铝丝中的任一种；所述导电板为金板、银板、铂板、钨板、铜板、铝板中的任一种；所述带有导电层的基板为带有铟锡氧化物导电层的基板、带有FTO导电层的基板、带有ZTO导电层的基板中的任一种。
10.根据权利要求1-4任一项所述的金属纳米颗粒的制备方法，其特征在于，步骤(3)中电解的时间为0.5～60min。
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