CN1554503A - 纳米金粒子材料制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及纳米金粒子材料的制备方法，包括下列顺序工艺步骤：①取HAuCl4、保护剂、丙酮混合得到混合水溶液，保护剂采用聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮之任一种，保护剂与金(III)质量比为10～10000∶1，丙酮与金(III)质量比为100～1500∶1，②用波长254～400nm之至少一种波长的紫外光照射上述所得混合水溶液，至还原反应完全，停止照射，即获得胶体纳米金粒子。本发明工艺流程简单，其制备的纳米金颗粒纯净、尺寸可控、粒径分布范围窄，所得纳米金颗粒可用于生物医学领域、电子工业领域、精细化工领域。

Description

纳米金粒子材料制备方法
技术领域
本发明涉及纳米金粒子材料的制备方法。
背景技术
贵金属纳米材料的研究和应用，目前已成为一个极具活力和十分诱人的新领域。纳米金粒子在许多应用中都是作为一种十分重要的前体材料，其开发应用程度往往依赖于金颗粒的尺寸、形貌和金粒子的分散性。
单分散的纳米金粒子制备方法包括物理或化学方法。较常用的物理方法有惰性气体金属原子蒸发法、金属有机化合物蒸气合成法和使用各种激发源的激发、溅射方法等。液相化学法由于设计和合成新材料的灵活性，近年来倍受重视。液相化学合成纳米金粒子材料的常用方法包括：化学试剂还原法、电化学方法、超声化学法、微波方法和光化学方法等。这些制备方法既能够在水溶液中进行，也可以在非水溶剂中进行。液相化学合成法为了稳定和防止金粒子聚集，广泛使用具有不同功能团的有机高分子试剂、表面活性剂和封端试剂等作保护剂，以便形成不同尺寸和形状的纳米金粒子。
其中利用光化学还原制备纳米金粒子材料的方法因其新颖性和独特性，倍受国外研究人员重视。在利用光化学还原法形成纳米金粒子的研究中，国外用作保护剂的有阴离子表面活性剂(如十二烷基磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠、朊藻酸钠等)、阳离子表面活性剂(如十六烷基三甲基卤化胺等)、聚合物和共聚物(如PVP、壳聚糖、聚丙烯酸和聚苯乙烯共聚物等)以及聚酰氨基胺繁枝状化合物等。
国内公告的纳米级金粉的制备方法专利文献(公告号1273154)中，利用KAu(CN)2溶于水后，以PVP作保护剂，抗坏血酸(或水合肼、草酸和硼氢化纳等)作还原剂还原生成金粉，钝化后真空干燥而得，其粒径为10-30nm。但是，该专利申请技术方案使用的氰化物试剂对环境污染严重，工艺流程本身存在过量化学还原剂或还原剂反应产物对粒子产生的吸附污染，必须经过复杂的洗涤处理。
发明内容
本发明目的在于提供一种纳米金粒子材料的制备方法。
上述发明目的通过下列顺序工艺步骤实现：
①取HAuCl4、保护剂、丙酮混合得到混合水溶液，保护剂选自聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮的任意一种，保护剂与金(III)质量比为10～10000∶1，丙酮与金(III)质量比为100～1500∶1；
②用波长254～400nm之至少一种波长的紫外光直接照射步骤①得到的混合水溶液，至还原反应完全，停止照射，即获得胶体纳米金粒子。
通过调整工艺条件和参数，可以更好地实现本发明目的。聚乙二醇可以是分子量400～6000的聚乙二醇的至少一种。紫外光到达混合水溶液液面的总辐射强度范围可以是0.5～50Cal/m2·S。混合水溶液可以装在密闭的容器内，此时紫外光的光源位于该容器内，其到达混合水溶液液面的总辐射强度范围可以为0.5～50Cal/m2.S。混合水溶液也可以装在密闭的石英容器中，此时紫外光的光源位于石英容器外，紫外光透过石英容器壁照射混合水溶液，到达混合水溶液液面的紫外光的总辐射强度为0.5～50Cal/m2.S。混合水溶液中金(III)浓度范围可优选为：20～400mg/L。混合水溶液在紫外光的照射方向的厚度优选为0.5～10cm。所得到的胶体纳米金粒子经过钝化、洗涤后可获得纯净金粉，钝化试剂可以是油酸或烷基硫醇的任意一种。烷基硫醇选自辛硫醇、壬硫醇、十二烷基硫醇、叔丁基硫醇之任一种。在获得上述技术方案步骤①的混合水溶液后，可以向该混合水溶液中加入粒子直径1～40nm的胶体金晶种，胶体金晶种中的金(O)与混合水溶液中金(III)的优选质量比范围为1∶1～100。
本发明使用的聚乙二醇，英文名称polyethylene glycol，缩写PEG。聚乙烯醇，英文名称polyvinyl alcohol，缩写PVA。聚乙烯吡咯烷酮，英文名称polyvinylpyrrolidone，缩写PVP。油酸，化学名：十八碳烯-[9]-酸，英文名称Oleicacid。本发明使用的石英容器的透光性越高越好。所使用的胶体金晶种可以是本发明的紫外光辐照法或柠檬酸钠化学法制备得到的金晶种，但不限于此。金(O)是指金属状态的金。金(III)是指HAuCl4中的金。本发明所用试剂均为A.R级。
本发明依据的化学反应原理如下：
AuCl4 -在保护剂表面发生化学吸附和物理吸附，在紫外光照射下，AuCl4 -可以被直接还原为纳米金粒子，只是反应过程极为缓慢。当有丙酮存在时，丙酮受紫外光激发，产生丙酮自由基，这是一个很强的还原剂，通过自由基还原AuCl4 -为纳米金粒子。较之紫外光直接还原AuCl4 -，其反应速率得到极大提高。紫外光是激发自由基的主要能量来源。
其反应方程表述如下：
                        ①
                      ②
                      ③
 ④
                          ⑤
对于本发明技术方案，PVA、PVP的反应机理同上。不同分子量的PEG、PVA、PVP所起的作用基本相同。
根据上述反应机理，紫外光提供反应所需的能量。提高紫外光的总辐射强度将加速反应速率，改善粒子尺寸分布。因此，紫外光的强度可以高于50Cal/m2·S。另一方面，混合溶液反应体系的光照状况，对反应过程也有影响。在紫外光照射方向，液层厚度较大时，液层表面首先完成反应，而液层深部则反应滞后，导致纳米金粒子尺寸分布变差，反应时间加长。因此，应考虑控制混合溶液液层厚度。
本发明的技术方案中，采用晶种技术可以极好地改善金颗粒的尺寸分布范围，同时提高光化学反应的速率15％以上。也即在保护剂存在下用光化学还原Au(III)络合物生成单分散的金晶种粒子，然后在相同的溶液体系中，利用金晶种粒子进行光化学控制生长。最终获得单分散的、尺寸分布范围窄的、平均粒径为5～90nm的球形金粒子。据此，根据最终对金粒子产品尺寸的要求，具体应用过程中可以使用超出1～40nm范围的金晶种，或者在反应溶液体系中分阶段采用不同直径的第一代、第二代、甚至第三代以上的金晶种，从而缩短生产周期。因此，采用晶种技术，可以精确控制纳米金粒子的尺寸，提高产品品质，并降低生产成本。
通过本发明方法获得的纳米金胶体或金颗粒材料，由于无过量化学还原剂或还原剂反应产物对粒子产生的吸附污染，因而十分纯净。在溶液中光子还原金络合物的反应能够均匀发生，成核均匀，从而获得球状的单分散金颗粒。光辐射所产生的还原反应，其速率能很好控制，且不受溶剂或反应产物对光吸收的影响，因此金颗粒尺寸分布范围窄，颗粒粒度均匀。本发明的整个反应过程无毒物或环境污染物的加入和产生，制备方法是绿色化学过程。此外，本发明合成反应无需特殊条件，可在常温常压下进行。本发明工艺技术中除了使用紫外灯光源之外，还可以直接利用太阳光中的紫外光进行辐照合成，进而大大降低生产成本。本发明的制备方法可直接获得胶体纳米金粒子，经过钝化和洗涤可进一步获得纳米纯金颗粒材料。最后，本发明纳米金粒子材料制备方法无需复杂的仪器设备，生产成本低廉。采用纳米金晶种技术，能够更好地控制金粒子的尺寸、形状和分散性。
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。实施例以PEG为说明对象，PVP和PVA与之类似。但本发明不限定于这些实施例。
具体实施方式
实施例1：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液(金浓度48mg/L)，用水稀释后加入PEG600 0.846g(或PEG400 0.564g，或PEG2000 2.82g，或PEG60008.46g；)，1ml丙酮(PEG400∶Au＝480∶1，PEG600∶Au＝720∶1，PEG2000∶Au＝2400∶1，PEG6000∶Au＝7200∶1，丙酮∶Au＝637∶1)，以水定容至25ml，混匀。其中HAuCl4浓度为2.44×10-4mol/L、PEG600(或PEG400，或PEG2000，或PEG6000)浓度为5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中，在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下用300nm(48W)紫外光照射15min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征后，金粒子的平均直径约为5nm(使用PEG400时为5nm，使用PEG2000时为4nm，使用PEG6000时为3nm)。
实施例2：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PEG6000.846g(或PEG400 0.564g；PEG2000 2.82g；PEG6000 8.46g)，1ml丙酮，以水定容至25ml，混匀。其中HAuCl4浓度为2.44×10-4mol/L、PEG600(或PEG400，或PEG2000，或PEG6000)浓度为5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml实施例1中对应保护剂体系制备的金“晶种”胶体溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，也可以在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，得到平均直径约为8nm(紫外灯)和10nm(阳光)的金粒子(PEG600)(使用PEG400时为8nm(紫外灯)和10nm(阳光)，使用PEG2000时为6nm(紫外灯)和8.5nm(阳光)，使用PEG6000时为4nm(紫外灯)和7nm(阳光))。将胶体纳米金粒子用油酸钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例3：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释，以水定容到25ml，于电炉上加热到沸腾，在搅拌下加入柠檬酸三钠18mg，继续搅拌并保持沸腾5min，冷却，获得金胶体溶液并以此作为“晶种”。另外取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PEG600 0.846g，1ml丙酮，以水定容于25ml，混匀。其中HAuCl4浓度2.44×10-4mol/L、PEG600浓度5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，再加入2ml上述化学法制备的“晶种”溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，或者在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，得到平均直径约为8nm(紫外灯)和10nm(阳光)的金粒子。
将胶体纳米金粒子用辛硫醇钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例4：取10ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液(金浓度240mg/L)，用水稀释后加入PEG600 0.846g，(保护剂：PEG600 144丙酮：金127)1ml丙酮，以水定容至25ml，混匀。其中HAuCl4浓度为1.22×10-3mol/L、PEG600浓度5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml由实施例1制备的、金粒子平均直径约为5nm的“晶种”胶体溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，或者在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，得到平均直径约为20nm(紫外灯)和30nm(阳光)的金粒子。
将胶体纳米金粒子用壬硫醇钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例5：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PEG6000.846g，1ml丙酮，以水定容至25ml，混匀。其中HAuCl4浓度为2.44×10-4mol/L、PEG600浓度5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml由实施例2制备的、金粒子平均直径约为10nm的“第2代晶种”胶体溶液(分新制和避光放置陈化45天两种条件)，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，或者在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，使用新制备的“第2代晶种”，得到平均直径约为55nm的金粒子；当使用陈化45天的“第2代晶种”时，得到平均直径约为65nm的金粒子。
将胶体纳米金粒子用十二烷基硫醇、叔丁基硫醇钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例6：取10ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PEG6000.846g，1ml丙酮，以水定容至25ml，混匀。其中HAuCl4浓度为1.22×10-3mol/L、PEG600浓度5.64×10-2mol/L、(CH3)2CO浓度0.53mol/L。将混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml由实施例2制备的、金粒子平均直径约为10nm的“第2代晶种”胶体溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射35min，或直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，使得到平均直径约为35nm的金粒子。
将胶体纳米金粒子用叔丁基硫醇钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例7：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PVP(分子量38000)溶液(含PVP0.1g)，1ml丙酮，(保护剂：金PVP83，丙酮：金637)以水定容至25ml，混匀(准备两份混合物反应液)。将一份混合物溶液转移到石英反应器中，在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征后，金粒子的平均直径约为5nm，以之为“晶种”。将另外一份混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml制备的“晶种”胶体溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，或者在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，得到平均直径约为8nm(紫外灯)和10nm(阳光)的金粒子。
将胶体纳米金粒子用油酸钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。
实施例8：取2ml含Au(III)600mg/L的HAuCl4溶液，用水稀释后加入PVA(分子量38000)溶液(含PVA0.25g)，1ml丙酮，(保护剂：金PVA208.3，丙酮：金637)以水定容至25ml，混匀(准备两份混合物反应液)。将一份混合物溶液转移到石英反应器中，在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征后，金粒子的平均直径约为4nm，以之为“晶种”。将另外一份混合物溶液转移到石英反应器中并取出2ml，同时向混合物中加入2ml制备的“晶种”胶体溶液，然后将石英反应器在Ultra-LUM(PATENT 5434478)紫外灯下于300nm(48W)照射15min，或者在高原紫外阳光下照射50min，直到溶液体系金粒子的表面等离子体共振光谱λmax吸光度不再变化为止。经TEM表征，得到平均直径约为6nm(紫外灯)和8nm(阳光)的金粒子。
将胶体纳米金粒子用辛硫醇钝化，用二次蒸馏水和无水乙醇洗涤，真空干燥，可以得到纳米金颗粒材料。

Claims (10)

1.纳米金粒子材料的制备方法，依次包括下列工艺步骤：
①取HAuCl4、保护剂、丙酮混合得到混合水溶液，所述保护剂为聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮之任一种，保护剂与金(III)质量比为10～10000∶1，丙酮与金(III)质量比为100～1500∶1；
②用波长254～400nm之至少一种波长的紫外光照射步骤①所得混合水溶液，至还原反应完全，停止照射，即获得胶体纳米金粒子。
2.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料的制备方法，其特征在于步骤①所述聚乙二醇为分子量400～6000的聚乙二醇之至少一种。
3.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料的制备方法，其特征在于步骤②所述紫外光的总辐射强度为0.5～50Cal/m2·S。
4.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料的制备方法，其特征在于步骤②所述混合水溶液装在密闭的容器中，所述紫外光的光源位于容器内，紫外光的总辐射强度为0.5～50Cal/m2·S。
5.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于步骤②所述混合水溶液装在密闭的石英容器中，所述紫外光的光源位于石英容器外，到达所述混合水溶液液面的紫外光的总辐射强度为0.5～50Cal/m2·S。
6.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于步骤①所述混合水溶液中金(III)浓度范围为：20～400mg/L。
7.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于步骤②所述混合水溶液在所述紫外光的照射方向的厚度为0.5～10cm。
8.根据权利要求1所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于将步骤②所述胶体纳米金粒子钝化，钝化试剂为油酸、或烷基硫醇之任一种。
9.根据权利要求8所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于所述烷基硫醇为辛硫醇、壬硫醇、十二烷基硫醇、叔丁基硫醇之任一种。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8、9之一所述的纳米金粒子材料制备方法，其特征在于向步骤①所述混合水溶液加入粒子直径1～40nm胶体金晶种，胶体金晶种中的金(O)与所述混合水溶液中金(III)的质量比1∶1～100。
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