JP2019517625A - 化学的還元法を用いたコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法 - Google Patents
化学的還元法を用いたコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
[反応式2]
1)2AgNO3+2NH4OH → Ag2O↓+H2O+2NH4NO3
2)Ag2O+4NH4OH → 2[Ag(NH3)2]OH+3H2O
3)[Ag(NH3)2]OH+NH4NO3 → [Ag(NH3)2]NO3+NH4OH
[反応式2]の3)で形成された[Ag(NH3)2]+錯体が銅ナノワイヤの銅から出た電子によってAgイオンが還元する化学メッキ原理によって銅ナノワイヤに銀原子がコートされる。この化学反応式は[反応式3]の通りである。
[反応式3]
Cu+2[Ag(NH3)2]NO3 → [Cu(NH3)4](NO3)2+2Ag↓
本発明において、前記銀アンモニア錯体溶液内の硝酸銀の濃度は0.001〜1M、アンモニア水の濃度は0.01〜0.3Mであることを特徴とすることができる。硝酸銀の濃度が0.001M未満であるとか1Mを超える場合、あるいはアンモニア水の濃度が0.01M未満であるとか0.3Mを超える場合、錯体が形成されにくい。
[反応式1]
2Cu2++N2H4+4OH−2Cu+N2+4H2O
本発明において、前記(b)段階の還元剤は0.01〜1.0Mの濃度を有し、添加速度は0.1〜500ml/minであり得る。還元剤の濃度が0.01M未満であるとか1.0Mを超える場合、あるいは還元剤の添加速度が0.1ml/min未満であるとか500ml/minを超える場合には、銅ナノワイヤの形態ではない銅ナノ粒子の形態が形成されることがある。前記(b)段階は、還元剤の添加後、30分〜2時間の間に、好ましくは1時間の間に撹拌させることによって銅イオンを還元させることになる。30分未満で反応させる場合、銅ナノワイヤの厚さ又は長さが正常に形成されなく、反応時間が2時間を超える場合、残余銅イオンが銅ナノワイヤの表面に還元してワイヤの形状がでこぼこに形成されることがある。
3000mlの丸底フラスコに水(超純水)2000mlを入れ、撹拌器を装着して撹拌しながら水酸化ナトリウム(NaOH、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を1200g(15M)を投入した。発熱反応によって熱くなった反応器内部の温度が50℃を超えないように冷却した後、硝酸銅(II)(Cu(NO3)2・3H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)3.8g(0.0079M)を水(超純水)100mlに溶解させて反応器に投入した。その後、ピペラジン(C4H10N2、シグマアルドリッチ社製)9.7g(0.268M)を水(超純水)100mlに溶解させて添加した後、平均撹拌速度300rpmで10分間撹拌させた。反応器を70℃に昇温させた後、ヒドラジン(N2H4、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)4mlを水(超純水)240ml(0.04M)に混合した後、反応器の内部に注射器ポンプ(syringe pump)を用いて4ml/minの速度で1時間添加した。反応器を70℃で維持させ、反応が終了すると常温に徐々に温度を冷却させた後、銅ナノワイヤを溶液から分離し、蒸溜水及びエタノール2Lで洗浄した後、真空オーブン(OV−12、JEIO Tech社製)で25℃で24時間乾燥させた。製造された銅ナノワイヤを走査電子顕微鏡(SEM)で調査した結果、図1に示したように、長さが5〜10μm、直径が200〜300nmの銅ナノワイヤが製造されたことを確認した。また、図2に示したように、銅ナノワイヤの走査電子顕微鏡−エネルギー分散分光器(SEM−EDS)で成分及び含量を分析した結果、酸化しなかった銅ナノワイヤが製造されたことを確認することができた。
3000mlの丸底フラスコに水(超純水)2000mlを入れ、撹拌器を装着して撹拌しながら水酸化ナトリウム(NaOH、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を1200g投入した。発熱反応によって熱くなった反応器内部の温度が50℃を超えないように冷却した後、硝酸銅(II)(Cu(NO3)2・3H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)3.8gを水(超純水)100mlに溶解させて反応器に投入した。その後、ヘキサメチレンジアミン(C6H16N2、シグマアルドリッチ社製)62.25ml(0.268M)を添加し、10分間300rpmで撹拌させた。反応器温度が35℃になれば、ヒドラジン(N2H4、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)4mlを水(超純水)240mlに混合し、反応器の内部に注射器ポンプ(syringe pump)で4ml/minの速度で1時間添加した。反応器の内部を70℃に昇温させた後、1時間反応させ、反応が終了すると、常温に徐々に温度を下げた後、蒸溜水及びエタノール2Lで洗浄した後、真空オーブン(OV−12、JEIO Tech社製)で25℃の温度で24時間乾燥させた。製造された銅ナノワイヤを走査電子顕微鏡(SEM)で調査した結果、図3に示したように、長さが2〜5μm、直径が200〜300nmの銅ナノワイヤが製造されたことを確認した。また、図4に示したように、銅ナノワイヤの走査電子顕微鏡−エネルギー分散分光器(SEM−EDS)によって成分及び含量を分析した結果、酸化しなかった銅ナノワイヤが製造されたことを確認することができた。
銅前駆体として硝酸銀を使わず、水酸化銅(Cu(OH)2、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を使ったことを除き、前記第1実施例と同様な方法で銅ナノワイヤを製造した。
コアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの合成時にコストの最大部分を占めているものが銀前駆体とNaOHである。本発明では、銅ナノワイヤの合成時、15M(1200g)のNaOHを投入し、これを再使用して工程改善を試みた。前記第1実施例と同様に銅ナノワイヤを合成した後、溶液と銅ナノワイヤを分離し、その溶液にさらに硝酸銅(II)前駆体及び還元剤を投入して銅ナノワイヤをそれぞれ合成した。このとき、溶液に残余還元剤が残らないように銅前駆体と還元剤の当量比を合わせて投入した。その結果、既に反応が完了した溶液に還元剤と銅前駆体のみ投入しても、1回及び2回再使用して銅ナノワイヤを合成することができた。
第3実施例のように銅ナノワイヤを合成した後、溶液と銅ナノワイヤを分離し、その溶液にさらに水酸化銅前駆体及び還元剤を投入して銅ナノワイヤをそれぞれ合成した。このとき、溶液に残余還元剤が残らないように銅前駆体と還元剤の当量比を合わせて投入した。その結果、既に反応が完了した溶液に還元剤と銅前駆体のみ投入しても、1回及び2回再使用して銅ナノワイヤを合成することができた。
500mlの三角フラスコに水(超純水)100mlと前記第1実施例によって製造された銅ナノワイヤ1.0gを添加した後、超音波洗浄機(Bath sonicator、SK7210HP、Youngjin corporation社製)を用いて、900rpmで3時間撹拌して分散させた。そして、銅ナノワイヤの酸化膜を除去するために、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)とアンモニア水(NH4OH、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)をそれぞれ0.0094M及び0.0376Mを入れ、3分間800rpmで撹拌した。このとき、酸化膜が除去されるに従って溶液の色が青色に変わった。これに還元剤である酒石酸ナトリウムカリウム(C4H4KNaO6・4H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を0.028M添加し、水酸化カリウム(KOH、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を用いてpHを10に滴定した後、3分間800rpmで撹拌した。
銅ナノワイヤに銀コーティングを実施する前、塩酸(HCl、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を用いて反応溶液のpHを6に滴定したことを除き、第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
銅ナノワイヤに銀コーティングを実施する前、水酸化カリウムを用いて反応溶液のpHを12に滴定したことを除き、第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記実施例は経済性を高めるために銅ナノワイヤの銀コーティング量を減少する実験を進行した。前記第5実施例の方法で、銀アンモニア錯体溶液の製造時、硝酸銀0.14Mを使ったことを除き、第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。前記第6実施例で入れた硝酸銀は0.18Mで、銅質量に対して45%の銀を入れたものであり、この第7実施例で入れた硝酸銀は0.14Mで、銅質量に対して40%の銀を入れたものであり、約5%の銀含量を減少させながらコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記第6実施例の方法で、銀アンモニア錯体溶液の製造時に硝酸銀0.11Mを使ったことを除き、前記第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。この第8実施例で入れた硝酸銀は0.11Mで、銅質量に対して35%の銀を入れたものであり、第5実施例に比べて約10%の銀含量を減少させながらコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記第5実施例の方法で、銀アンモニア錯体溶液の製造時に硝酸銀0.09Mを使ったことを除き、前記第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。この第9実施例で入れた硝酸銀は0.09Mで、銅質量に対して30%の銀を入れたものであり、第5実施例に比べて約15%の銀含量を減少させながらコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記第6実施例の方法で、還元剤として酒石酸ナトリウムカリウム(C4H4KNaO6・4H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)ではない酒石酸(C4O6H6、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を使ったことを除き、前記第6実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記第7実施例の方法で、還元剤として酒石酸ナトリウムカリウム(C4H4KNaO6・4H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)ではない酒石酸(C4O6H6、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を使ったことを除き、前記第7実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
前記第8実施例の方法で、還元剤として酒石酸ナトリウムカリウム(C4H4KNaO6・4H2O、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)ではない酒石酸(C4O6H6、サンゾンジュンヤク工業(株)社製)を使ったことを除き、前記第8実施例と同様な方法でコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤを製造した。
コアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの酸化特性を調べるために前記第1実施例の方法で製造した銅ナノワイヤと第7実施例、第8実施例及び第9実施例の方法で製造したコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤをそれぞれGFフィルターに積層した後、200℃で1時間熱処理した。
第7実施例〜第9実施例によって製造されたコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤに銀がコートされているかを確認するために高周波誘導結合プラズマ装置と透過電子顕微鏡に装着されたエネルギー分散分光器を用いて製造された銀コーティング銅ナノワイヤの銀及び銅成分を分析した。
Claims (24)
- (a)水に(1)アルカリ、(2)銅化合物及び(3)キャッピング剤が添加された水溶液を撹拌する段階;
(b)前記水溶液に還元剤を添加して銅イオンを還元させることによって銅ナノワイヤを製造する段階;
(c)製造された銅ナノワイヤを洗浄及び乾燥する段階;
(d)(c)段階で製造された銅ナノワイヤの酸化膜を除去する段階;
(e)(d)段階の溶液に還元剤を入れて、pHを滴定した後、硝酸銀−アンモニア錯体溶液を滴下しながら銀コーティングを形成する段階;
(f)(e)段階で製造された銀コーティング銅ナノワイヤを洗浄及び乾燥する段階を含むコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。 - 前記(c)段階後、(c’)銅ナノワイヤから分離された溶液に銅前駆体及び還元剤を添加して銅ナノワイヤを再合成する段階をさらに含む、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(c’)段階を2回以上繰り返して銅ナノワイヤを合成することを特長とする、請求項2に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記 (d)段階は酸化膜除去溶液としてアンモニア水及び硫酸アンモニウムの混合溶液を使うことを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記 (d)段階 のアンモニア水及び硫酸アンモニウム混合溶液の濃度は0.001〜0.3Mであることを特徴とする、請求項4に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(d)段階は1〜60分間行うことを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(e)段階は、(d)段階で酸化膜が除去された銅ナノワイヤ溶液に還元剤を投入し、pHを滴定した後、50〜1600rpmで撹拌しながら銀アンモニア錯体溶液を分当たり0.5〜500ml注入することを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(e)段階の還元剤は、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、ピメリン酸、スベリン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ブラシル酸、ドデカン酸、タプシン酸、マレイン酸、フマル酸、グルコン酸、トラウマチン酸、ムコン酸、グルチン酸、シトラコン酸、メサコン酸、アスパラギン酸、グルタミン酸、ジアミノピメリン酸、タルトロン酸、アラビナル酸、サッカリン酸、メソキサル酸、オキサロ酢酸、アセトンジカルボン酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ジフェン酸、酒石酸、酒石酸ナトリウムカリウム、アスコルビン酸、ヒドロキノン、グルコース及びヒドラジンからなる群から選択されることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(e)段階の還元剤の濃度は0.001〜3Mであることを特徴とする、請求項8に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記銅ナノワイヤ溶液のpHは8〜11であることを特徴とする、請求項7に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記硝酸銀−アンモニア錯体溶液は硝酸銀溶液とアンモニア水を混合して製造されることを特徴とする、請求項7に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記銀アンモニア錯体溶液内の硝酸銀の濃度は0.001〜1Mであることを特徴とする、請求項11に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記銀アンモニア錯体溶液内のアンモニア水の濃度は0.01〜0.3Mであることを特徴とする、請求項11に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(a)段階の(1)アルカリはNaOH、KOH、又はCa(OH)2であることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(a)段階の(1)アルカリの濃度は2.5〜25Mであることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(a)段階の(2)銅化合物は水酸化銅、硝酸銅、硫酸銅、硫酸銅、酢酸銅、塩化銅、臭化銅、ヨウ化銅、リン酸銅又は炭酸銅であることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(a)段階の銅化合物の濃度は、銅イオンを基準に0.004〜0.5Mであることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(3)キャッピング剤はピペラジン(C4H10N2)又はヘキサメチレンジアミン(C6H16N2)であることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記キャッピング剤の濃度は0.008〜2.0Mであることを特徴とする、請求項18に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(b)段階の還元剤は、ヒドラジン、アスコルビン酸、L(+)−アスコルビン酸、イソアスコルビン酸、アスコルビン酸誘導体、シュウ酸、ギ酸、亜リン酸塩、リン酸、硫酸塩又は水素化ホウ素ナトリウムであることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(b)段階の還元剤の濃度は0.01〜1.0Mであることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(b)段階の還元剤の添加速度は0.1〜500ml/minであることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記(b)段階は0〜100℃で還元させることを特徴とする、請求項1に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
- 前記銀コーティング銅ナノワイヤを回分反応式、栓流反応式または、連続撹拌槽型反応式の工程で製造することを特徴とする、請求項1〜23の何れか一項に記載のコアシェル構造の銀コーティング銅ナノワイヤの製造方法。
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