JP2020111831A - Production method of metal fine particle and production apparatus of metal fine particle - Google Patents

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西岡 将輝
Masateru Nishioka
将輝 西岡
真琴 葛西
Makoto Kasai
真琴 葛西
鈴木 敏重
Toshishige Suzuki
敏重 鈴木
正人 宮川
Masato Miyagawa
正人 宮川
片岡 春樹
Haruki Kataoka
春樹 片岡
秀和 甲田
Hidekazu Koda
秀和 甲田
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Shinko Kagaku Kogyosho KK
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Shinko Kagaku Kogyosho KK
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Abstract

To provide a production method of a metal nanoparticle material, by which metal nanoparticles having a narrow particle size distribution can be continuously synthesized in a short time, at a high yield and at high energy efficiency.SOLUTION: A production method of metal fine particles is provided for synthesizing metal fine particles by circulating a reaction liquid 8 containing a metal precursor into a reaction pipe 7 disposed in a microwave irradiation space, and irradiating the reaction pipe 7 in the microwave irradiation space with microwaves from outside the reaction pipe 7 so as to heat the reaction liquid 8 in the reaction pipe 7 by the microwave irradiation. An apparatus having a frequency band from 2.4 to 2.5 GHz allocated to the apparatus or a standard frequency band as an industrial product is used as a microwave generator. The reaction pipe 7 used has an average inner diameter of less than 2.84 mm in a portion of the reaction pipe 7 disposed in the microwave irradiation space.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属微粒子の製造方法及び金属微粒子の製造装置に関するものであり、さらに詳しくは、反応液に電磁波を均一に照射して加熱することにより、金属ナノ粒子を短時間で、連続的に製造することを可能にする金属微粒子の製造方法及び金属微粒子の製造装置に関するものである。 The present invention relates to a method for producing metal fine particles and an apparatus for producing metal fine particles, more specifically, by uniformly irradiating a reaction liquid with electromagnetic waves to heat the metal nanoparticles in a short time and continuously. The present invention relates to a method for producing fine metal particles and an apparatus for producing fine metal particles that enable production.

金属ナノ粒子(金属のナノメーターオーダーの粒子)は、触媒、電極材、抗菌剤などの種々の用途に用いられている。またとりわけ最近はイムノクロマト用標識材料など食品アレルギー検査キット、免疫診断キットなどの分野において高性能、高精度を実現するため要求されている。
そのような材料としては、Ag,Au,Ir,Pt,Pd,Rh,Re,Ru,Cu,Ni、及びOsなどの遷移金属や、Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tmなどの希土類元素が挙げられる。
これらの金属ナノ粒子の製造方法としては、粉砕など原料金属を物理的に微細化するトップダウン法と、金属前駆物質から化学反応により微粒子の成長を行う、ボトムアップ法がある。特に100nm以下で粒径分布が揃った微粒子を製造するにはボトムアップ法が広く利用されている。特にボトムアップ法の一つである湿式還元法は、様々な種類の金属ナノ粒子を分散性よく製造できることから、研究例が多い。湿式還元法は溶液中の化学反応のため、粒子径の揃ったナノ粒子を製造するには精密な反応温度制御や反応時間の制御が重要となる。このため、均一な温度場、反応場を維持するために、バッチ型の反応器が多く利用されている。しかしバッチ法では、溶液の交換や洗浄など手間が掛かるため工業的な大量生産には向いていないという問題点があった。またマイクロリアクターを用いた連続合成も行われている。しかしマイクロリアクターを利用する方法は、初期コストと運転コスト、反応管の閉塞の問題など解決すべき点がある。
Metal nanoparticles (metal nanometer order particles) are used for various applications such as catalysts, electrode materials, and antibacterial agents. Moreover, in particular, recently, it has been required to realize high performance and high accuracy in the fields of food allergy test kits such as labeling materials for immunochromatography and immunodiagnostic kits.
Examples of such a material include transition metals such as Ag, Au, Ir, Pt, Pd, Rh, Re, Ru, Cu, Ni, and Os, and Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, and Tb. , Dy, Ho, Er, Tm and other rare earth elements.
As methods for producing these metal nanoparticles, there are a top-down method of physically miniaturizing a raw material metal such as crushing, and a bottom-up method of growing fine particles from a metal precursor by a chemical reaction. In particular, the bottom-up method is widely used for producing fine particles having a uniform particle size distribution of 100 nm or less. In particular, the wet reduction method, which is one of the bottom-up methods, has many research examples because various types of metal nanoparticles can be produced with good dispersibility. Since the wet reduction method is a chemical reaction in a solution, precise reaction temperature control and reaction time control are important for producing nanoparticles with uniform particle diameters. Therefore, in order to maintain a uniform temperature field and reaction field, batch type reactors are often used. However, the batch method has a problem that it is not suitable for industrial mass production because it requires time and effort such as solution exchange and cleaning. Moreover, continuous synthesis using a microreactor is also performed. However, the method using the microreactor has some problems to be solved such as initial cost, operation cost, and problem of clogging of reaction tube.

また金属前駆物質とアルコール溶媒を含有する反応混合物を局在化したマイクロ波またはミリメートル波エネルギーで加熱し、金属粒子を製造する方法が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。しかし、この方法では連続操作ができず、工業的な製造への適用には課題があった。 Further, a method for producing metal particles by heating a reaction mixture containing a metal precursor and an alcohol solvent with localized microwave or millimeter wave energy has been proposed (see Patent Documents 1 and 2). However, this method cannot be continuously operated, and there is a problem in applying it to industrial production.

しかも、マイクロ波利用の化学反応においては、従来の電磁波照射では、反応管内への電磁波の照射強度にムラが生じるため、再現性に課題があり、また、反応液を攪拌させる必要があり、その多くは、バッチ型反応によって実施されるものであった。一方近年、工業的に金属微粒子、とりわけ高品質な金属ナノ粒子を、効率よく連続生産しうる方法の開発が要望されている。
ナノ粒子をマイクロ波照射によって連続合成を行う試みとしては、非特許文献1がある。これら調理用電子レンジ内に反応管を配置するものであり、反応管への電磁波照射には、空間的な電磁波強度のムラや、時間的な変動を生じることにより均質な温度場の維持が困難で、粒子径分布や粒子性状が不均質となる可能性がある。また特許文献3によるナノ粒子連続合成の試みもある。これは、導波管内に反応管を配置するものであるが、この場合導波管入口部のマイクロ波強度が導波管出口部のマイクロ波強度より高くなることや、反応物にマイクロ波が完全に吸収されないためエネルギー効率が悪いという課題があった
。また、特許文献3には、定在波(空胴共振器)によるマイクロ波照射方法も提案されているが、空胴共振器内のマイクロ波分布に依存したマイクロ波照射ムラが発生するおそれがあった。
Moreover, in a chemical reaction utilizing microwaves, conventional electromagnetic wave irradiation causes unevenness in the irradiation intensity of the electromagnetic waves into the reaction tube, which causes a problem in reproducibility, and it is necessary to stir the reaction solution. Most were carried out by batch-type reactions. On the other hand, in recent years, there has been a demand for industrial development of a method capable of efficiently and continuously producing fine metal particles, particularly high-quality metal nanoparticles.
Non-Patent Document 1 discloses an attempt to continuously synthesize nanoparticles by microwave irradiation. A reaction tube is placed in these cooking microwave ovens, and it is difficult to maintain a uniform temperature field when irradiating the reaction tube with electromagnetic waves due to spatial unevenness of electromagnetic wave intensity and temporal fluctuations. Therefore, there is a possibility that the particle size distribution and the particle properties will be inhomogeneous. There is also an attempt to continuously synthesize nanoparticles according to Patent Document 3. This is to arrange the reaction tube in the waveguide. In this case, the microwave intensity at the waveguide inlet is higher than the microwave intensity at the waveguide outlet, and the microwave is not present in the reaction product. There was a problem that energy efficiency was poor because it was not completely absorbed. Patent Document 3 also proposes a microwave irradiation method using a standing wave (cavity resonator), but there is a possibility that microwave irradiation unevenness may occur depending on the microwave distribution in the cavity resonator. there were.

特許第3005683号公報Japanese Patent No. 3005683 特許第3612546号公報Japanese Patent No. 3612546 特表2006−517260号公報Japanese Patent Publication No. 2006-517260

Y. Groisman and A. Gedanken, J. Phys. Chem. C, 112, 8802−8808 (2008)Y. Groisman and A. Gedanken, J.; Phys. Chem. C, 112, 8802-8808 (2008)

したがって本発明は、粒子径分布の狭い金属ナノ粒子を、短時間で、高い収率で、かつ高エネルギー効率で、連続的に合成することを可能とする金属ナノ粒子材料の製造方法および金属ナノ粒子材料の製造装置を提供することを目的とするものである。 Therefore, the present invention provides a method for producing a metal nanoparticle material and a metal nanoparticle capable of continuously synthesizing metal nanoparticles having a narrow particle size distribution in a short time at a high yield and with high energy efficiency. It is an object of the present invention to provide an apparatus for producing a particulate material.

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
金属前駆物質を含有する反応液を、電磁波照射場に配置された流通管内に流通させるとともに、該流通管に向けて流通管の外部から電磁波を照射し、この電磁波照射により流通管内の反応液を加熱し、金属微粒子を合成する金属微粒子の製造方法であって、該電磁波の周波数帯域としては、周波数2.4〜2.5GHzが割り当てられているか又は製品の規格周波数帯域になっており、周波数2.45GHzの電磁波を流通管に向けて照射した場合に、該流通管の該電磁波照射場に配置される部分の平均内径(直径)を2.9mm以下にすることが重要であると判明しているとき、該流通管として、周波数帯域2.4〜2.5GHzの如何なる周波数の電磁波を照射する場合も該流通管の該電磁波照射場に配置される部分の平均内径を2.9×(2.45GHz÷2.5GHz)=2.84mmより細い流通管を用いることを特徴とする。
そして例えば、以上に記載の金属微粒子の製造方法において、該電磁波を照射された反応液を温度調節器に導くことを特徴とする。
The present invention for solving the above-mentioned problems comprises the following technical means.
A reaction liquid containing a metal precursor is circulated in a distribution pipe arranged in an electromagnetic wave irradiation field, and an electromagnetic wave is irradiated from the outside of the distribution pipe toward the distribution pipe, and the reaction liquid in the distribution pipe is irradiated by the electromagnetic wave. A method for producing metal fine particles, which comprises heating and synthesizing metal fine particles, wherein a frequency band of 2.4 to 2.5 GHz is assigned as a frequency band of the electromagnetic wave, or a standard frequency band of the product is obtained. When an electromagnetic wave of 2.45 GHz is radiated toward the flow pipe, it has been found out that it is important to set the average inner diameter (diameter) of the portion of the flow pipe arranged in the electromagnetic wave irradiation field to 2.9 mm or less. When irradiating the electromagnetic wave of any frequency in the frequency band 2.4 to 2.5 GHz as the flow pipe, the average inner diameter of the portion of the flow pipe arranged in the electromagnetic wave irradiation field is 2.9×( 2.45 GHz/2.5 GHz)=2.84 mm, which is characterized by using a flow pipe thinner than that.
Then, for example, in the method for producing metal fine particles described above, the reaction liquid irradiated with the electromagnetic wave is guided to a temperature controller.

本発明によれば、粒子径分布の狭い金属ナノ粒子を、短時間で、高い収率で、かつ高エネルギー効率で、連続的に合成することを可能とする。 According to the present invention, it is possible to continuously synthesize metal nanoparticles having a narrow particle size distribution in a short time with a high yield and high energy efficiency.

本発明に係る実施例1で用いたマイクロ波利用化学反応装置の好ましい形態を一部断面図で示す説明図である。It is explanatory drawing which shows a preferable mode of the chemical reaction device using a microwave used in Example 1 which concerns on this invention with a partial cross section figure. 本実施例の円筒型の空胴共振器内の電界強度分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the electric field strength distribution in the cylindrical cavity resonator of a present Example. 実施例1〜3で合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined in Examples 1-3. 実施例4〜8で合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined in Examples 4-8. 実施例9〜14で合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined in Examples 9-14. 実施例14の条件で合成された銀ナノ粒子の透過電子顕微鏡写真である。16 is a transmission electron micrograph of silver nanoparticles synthesized under the conditions of Example 14. 実施例15における長時間の連続合成をおこなった際の溶液温度の時間変化を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing a time change of a solution temperature when performing continuous synthesis for a long time in Example 15. 実施例15におけるマイクロ波照射パワー(TM010キャビティーへの入射波−反射波)を示す図である。It is a figure which shows the microwave irradiation power in Example 15 (incident wave to TM010 cavity-reflected wave). 実施例15における銀ナノ粒子の粒子径分布と反応時間との関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the particle size distribution of silver nanoparticles and the reaction time in Example 15. 実施例15における銀ナノ粒子連続合成時の各時間における生成物の吸収スペクトルの推移を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a transition of an absorption spectrum of a product at each time during continuous synthesis of silver nanoparticles in Example 15. 実施例7における反応液の送液速度と銀ナノ粒子の粒子径分布の関係を示す図である。9 is a diagram showing the relationship between the liquid feed rate of the reaction liquid and the particle size distribution of silver nanoparticles in Example 7. FIG. 液溶媒としてグリセリンを用いて合成した銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined using glycerin as a liquid solvent. 液溶媒としてベンジルアルコールを用いて合成した銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined using benzyl alcohol as a liquid solvent. 実施例17の条件で合成した金ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a particle size distribution of gold nanoparticles synthesized under the conditions of Example 17. 実施例18、19の条件で合成した白金ナノ粒子およびパラジウムナノ粒子の粒子径分布を示す図である。It is a figure which shows the particle diameter distribution of the platinum nanoparticle and the palladium nanoparticle which were synthesize|combined on the conditions of Examples 18 and 19. 実施例20、21の条件で合成した銀ナノ粒子および白金ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing particle size distributions of silver nanoparticles and platinum nanoparticles synthesized under the conditions of Examples 20 and 21. 実施例22の条件で合成した銀ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。9 is a transmission electron microscope image of silver nanoparticles synthesized under the conditions of Example 22. 実施例23の条件で合成した白金ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。9 is a transmission electron microscope image of platinum nanoparticles synthesized under the conditions of Example 23. 実施例24の条件で合成した白金ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。9 is a transmission electron microscope image of platinum nanoparticles synthesized under the conditions of Example 24. 実施例25の条件で合成した銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。9 is a diagram showing a particle size distribution of silver nanoparticles synthesized under the conditions of Example 25. FIG. 実施例26において、図1で示される構成例と図23で示される構成例で、合成した銀ナノ粒子の粒子径分布を示す図である。In Example 26, it is a figure which shows the particle size distribution of the silver nanoparticle synthesize|combined by the structural example shown by FIG. 1, and the structural example shown by FIG. 実施例27において、図24で示される構成例で合成した銀ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。28 is a transmission electron microscope image of the silver nanoparticles synthesized in the configuration example shown in FIG. 24 in Example 27. 複数の原料溶液を個別供給するマイクロ波化学反応装置の変更態様の説明図である。It is explanatory drawing of the modification of the microwave chemical reaction apparatus which supplies several raw material solutions individually. マイクロ波化学反応装置の変更態様の説明図である。It is explanatory drawing of the modification of a microwave chemical reaction apparatus. マイクロ波化学反応装置の別の変更態様の説明図である。It is explanatory drawing of another modification of a microwave chemical reactor.

本発明の方法で製造しうる金属微粒子としては、遷移金属及び典型金属の錯体にあっては、Ag,Au,Ir,Pt,Pd,Rh,Re,Ru,及びOsなどの遷移金属が最も望ましいが、Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Wなどの遷移元素、Al,In,Ga,Zn,Cd,Sb,Sn,Ge,Be,Mgなどの典型元素であっても差し支えない. The metal fine particles that can be produced by the method of the present invention are most preferably transition metals such as Ag, Au, Ir, Pt, Pd, Rh, Re, Ru, and Os in the case of transition metal and typical metal complexes. Is a transition element such as Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, W, Al, In, Ga, Zn, Cd, Sb, Sn, It may be a typical element such as Ge, Be or Mg.

本発明の上記金属微粒子の製造は、金属前駆体物質を含有する反応液を流通管内に流通させ、一方、その流通管の長さ方向にわたって、均一かつ集中的に電磁波を流通管内に向けて照射し、流通管内の電磁波照射空間を流通方向にわたって加熱し、金属微粒子を生成させる金属ナノ粒子の連続的製造方法により実施できる。
本発明の製造方法により、好ましくは、平均粒子径が約100nm以下の粒子径を有する金属微粒子を製造することができる。本明細書において、金属微粒子の粒子径の平均粒子径は、後述の実施例に示すように、ナノ粒子懸濁液の動的光散乱により測定された値をいう。
本発明に用いられる流通管は、マイクロ波を透過しやすいものが望ましく、該容器の材質としては、例えば、ガラス、石英、アルミナ、フッ素樹脂テフロン(登録商標)、プラスチック、ポリエチル・エーテル・ケトン樹脂などがあげられる。しかし、本発明は、これらに限定されるものではなく、これらと同等の材質のものであれば、同様に使用することができる。
流通管の管壁の厚さは、好ましくは0.05〜10mm、より好ましくは0.1〜2mmである。管壁の厚さを上記範囲にすることにより安定した金属ナノ粒子の連続合成が可能であり、管壁の厚さが薄すぎては反応管としての流通管の形状を維持することが困難であり、また反応管内の圧力変動による破損の可能性があり、厚すぎてはマイクロ波の伝達ロスによる加熱効率の低下という問題を生ずる。
流通管中の金属前駆物質含有液に対する電磁波(マイクロ波)の照射強度は好ましくは0.1mW〜20kW、より好ましくは1mW〜100Wである。電磁波の照射強度がこの範囲内で、金属前駆体の還元が起こり、金属微粒子が生成する。電磁波強度が低すぎると、金属微粒子が生成せず、高すぎると、流通溶液が沸騰する。また流通管中の金属前駆物質含有液の送液速度は、好ましくは0.1ml/h〜5l/h、より好ましくは5〜200ml/hである。送液速度を上記の範囲に調節することにより、目的のサイズの金属微粒子が生成する。送液速度が大きすぎると、液は沸騰しないが粒子径のnmオーダーの
金属微粒子が得られにくく、小さすぎると液が沸騰し、目的の粒径の金属微粒子が得られにくくなる。
In the production of the metal fine particles of the present invention, the reaction liquid containing the metal precursor substance is circulated in the flow pipe, while the electromagnetic wave is uniformly and intensively radiated toward the flow pipe in the length direction of the flow pipe. Then, the electromagnetic wave irradiation space in the flow tube is heated in the flow direction to produce fine metal particles, which can be carried out by a continuous method for producing metal nanoparticles.
By the production method of the present invention, preferably, metal fine particles having an average particle diameter of about 100 nm or less can be produced. In the present specification, the average particle size of the particle size of the metal fine particles refers to a value measured by dynamic light scattering of a nanoparticle suspension, as shown in Examples described later.
The flow tube used in the present invention is preferably one that easily transmits microwaves, and examples of the material of the container include glass, quartz, alumina, fluororesin Teflon (registered trademark), plastic, polyethyl ether ketone resin. And so on. However, the present invention is not limited to these, and the same materials as those can be used.
The thickness of the wall of the distribution pipe is preferably 0.05 to 10 mm, more preferably 0.1 to 2 mm. Stable metal nanoparticles can be continuously synthesized by setting the thickness of the tube wall to the above range, and it is difficult to maintain the shape of the flow tube as the reaction tube if the thickness of the tube wall is too thin. In addition, there is a possibility of damage due to pressure fluctuations in the reaction tube, and if it is too thick, there is a problem that the heating efficiency is reduced due to microwave transmission loss.
The irradiation intensity of the electromagnetic wave (microwave) on the metal precursor-containing liquid in the flow pipe is preferably 0.1 mW to 20 kW, and more preferably 1 mW to 100 W. When the irradiation intensity of electromagnetic waves is within this range, reduction of the metal precursor occurs and metal fine particles are generated. If the electromagnetic wave intensity is too low, metal fine particles are not produced, and if it is too high, the circulating solution boils. The liquid feed rate of the metal precursor-containing liquid in the flow pipe is preferably 0.1 ml/h to 5 l/h, more preferably 5 to 200 ml/h. By adjusting the liquid feeding speed within the above range, fine metal particles having a desired size are produced. If the liquid feeding speed is too high, the liquid will not boil, but it will be difficult to obtain metal fine particles having a particle size of nm order. If it is too small, the liquid will boil and it will be difficult to obtain fine metal particles having a desired particle diameter.

本発明において金属前駆体を、金属に対する還元作用を有する溶媒に分散もしくは溶解させて電磁波を照射する。このような溶媒としてはアルコール類(メタノール、エタノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、テトラエチレングリコール、グリセロール、ベンジルアルコール、ジプロピレングリコール等)、無機酸(水酸化ホウ素塩、ジメチルアミノボラン、亜リン酸、次亜リン酸、亜硫酸、チオ硫酸ナトリウム、Feイオン錯体、ヒドラジン等)、有機酸類(クエン酸、リンゴ酸、シュウ酸、ギ酸等)、糖類などが挙げられる。また、本発明において金属前駆物質の含有液に、分散剤を加え、生成する金属微粒子の凝集を防止し、分散安定性を高めるのが好ましい。このような分散剤としてはポリビニルピロリドン、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、高分子分散剤などが挙げられる。高分子分散剤とは、顔料表面に対する親和性の高い官能基が導入された高分子量の重合体であって、溶媒和部分を含む構造を有する両親媒性のものである。高分子分散剤としては、マイクロ波を吸収する溶媒に可溶であり、極めて速い還元反応によって瞬時に生成される微粒子を凝集させることなく捕捉し溶媒に分散させることができ、さらに生成されたコロイドの長期安定性に有効である共重合体であることが好ましく、高分子分散剤の数平均分子量は、1000〜100万であることが好ましい。高分子分散剤としては、例えば、特開平11−80647号公報に例示したものを挙げることができ、好ましい高分子分散剤(市販品)としては、ビックケミー社製のDISPERBYK102,108,116,145,180,2096,2155,BYK9076,9077、共栄社化学社製フローレンG700,G900などを挙げることができる。数平均分子量は10,000〜50,000のものが特に好ましい。
溶媒としては、沸点の高い溶媒が好適に使用され、これら溶媒を混合して用いることも差し支えない。
In the present invention, the metal precursor is dispersed or dissolved in a solvent having a reducing action on the metal and irradiated with electromagnetic waves. Such solvents include alcohols (methanol, ethanol, ethylene glycol, diethylene glycol, propylene glycol, tetraethylene glycol, glycerol, benzyl alcohol, dipropylene glycol, etc.), inorganic acids (boron hydroxide salt, dimethylaminoborane, phosphorous acid). Acid, hypophosphorous acid, sulfurous acid, sodium thiosulfate, Fe ion complex, hydrazine, etc.), organic acids (citric acid, malic acid, oxalic acid, formic acid, etc.), sugars and the like. Further, in the present invention, it is preferable to add a dispersant to the liquid containing the metal precursor to prevent the generated metal fine particles from aggregating and improve the dispersion stability. Examples of such dispersants include polyvinylpyrrolidone, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, and polymer dispersants. The polymer dispersant is a high molecular weight polymer having a functional group having a high affinity for the surface of the pigment introduced therein, and is an amphipathic one having a structure including a solvating portion. As a polymer dispersant, it is soluble in a solvent that absorbs microwaves, and it is possible to capture and disperse in a solvent the fine particles that are instantly generated by an extremely fast reduction reaction without aggregating. It is preferable that the copolymer is effective for long-term stability, and the number average molecular weight of the polymer dispersant is preferably 1,000 to 1,000,000. Examples of the polymer dispersant include those exemplified in JP-A No. 11-80647, and preferable polymer dispersants (commercially available products) include DISPERBYK102, 108, 116, 145 manufactured by BYK Chemie. 180, 2096, 2155, BYK9076, 9077, Kyoeisha Chemical Co., Ltd. Floren G700, G900 etc. can be mentioned. The number average molecular weight of 10,000 to 50,000 is particularly preferable.
As the solvent, a solvent having a high boiling point is preferably used, and these solvents may be mixed and used.

本発明において、反応液中の金属前駆体物質の濃度は、好ましくは0.01mM〜10M、より好ましくは0.1mM〜3Mである。
上記において、送液により流通する金属前駆体物質を含む反応液を上記によって適正にすることにより、ナノメーターサイズの金属微粒子を製造することができる。
本発明は、連続的に供給される前述の反応液に対し、電磁波を照射することで、短時間で、高い収率で、かつ高エネルギー効率で、連続的に、前述の金属微粒子を合成できる方法を提供するものである。以下に、本発明に望ましい電磁波照射方法を説明する。
In the present invention, the concentration of the metal precursor substance in the reaction solution is preferably 0.01 mM to 10 M, more preferably 0.1 mM to 3 M.
In the above, by optimizing the reaction liquid containing the metal precursor substance which is circulated by liquid feeding as described above, nanometer-sized metal fine particles can be produced.
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, by irradiating the above-mentioned reaction liquid continuously supplied with electromagnetic waves, the above-mentioned metal fine particles can be continuously synthesized in a short time with a high yield and high energy efficiency. It provides a method. The electromagnetic wave irradiation method preferable for the present invention will be described below.

一般に、物質がマイクロ波によって加熱されるときの発熱は、次式で表される。 Generally, the heat generation when a substance is heated by microwaves is represented by the following equation.

Figure 2020111831
Figure 2020111831

この中で、|E|[V/m],|H|[A/m]は、それぞれマイクロ波の電界強度、磁界強度であり、σ[S/m]は電気伝導度、f[1/sec]はマイクロ波の周波数、ε0[F/m]は真空中の誘電率、ε’’は誘電損率、μ0[H/m]は真空の透磁率、μ’’は磁気損率である。 Among them, |E|[V/m] and |H|[A/m] are electric field strength and magnetic field strength of microwave, respectively, and σ[S/m] is electric conductivity and f[1/ sec] is the microwave frequency, ε 0 [F/m] is the dielectric constant in vacuum, ε″ is the dielectric loss factor, μ 0 [H/m] is the magnetic permeability of the vacuum, and μ″ is the magnetic loss factor. Is.

このうち、上記式1の右辺の第2項で表される電界による発熱及び第3項で表される磁界による発熱が、マイクロ波加熱に大きな影響を与えることが多い。ここでは、第2項の電界による発熱を例にとり、説明するが、上記式1の第1項や第3項についても、同様に当てはまるものである。 Of these, the heat generated by the electric field expressed by the second term and the heat generated by the magnetic field expressed by the third term on the right-hand side of the above expression 1 often greatly affect the microwave heating. Here, the heat generation by the electric field of the second term will be described as an example, but the same applies to the first term and the third term of the formula 1.

マイクロ波加熱による発熱量を大きくするには、誘電損率ε’’が大きい物質を選ぶか、電界強度を大きくすることが有効であることが、上記式1から分かる。このため、誘電損率の小さい物質(非極性物質)のマイクロ波加熱は難しい。このような物質を加熱するには、電界強度Eを大きくするか、物質の誘電損率を見かけ上大きくすることが有効であることが分かる。 It can be seen from the above formula 1 that it is effective to select a substance having a large dielectric loss factor ε″ or to increase the electric field strength in order to increase the amount of heat generated by microwave heating. Therefore, microwave heating of a substance having a small dielectric loss factor (nonpolar substance) is difficult. It can be seen that in order to heat such a substance, it is effective to increase the electric field strength E or to apparently increase the dielectric loss factor of the substance.

電界強度Eを大きくするためには、マイクロ波を特定の部位に集中させるように照射すること、見かけ上の誘電損率を大きくするためには、被加熱対象物質と流通管壁(すなわち、反応管壁)との間の相互作用を有効に用いること、を実現することが必要とされる。 In order to increase the electric field strength E, irradiation is performed so that microwaves are concentrated on a specific part, and in order to increase the apparent dielectric loss factor, the substance to be heated and the flow pipe wall (that is, the reaction It is necessary to realize the effective use of the interaction with the tube wall.

一般に、電界強度を高めるためには、大型のマイクロ波発生器を利用する必要があるが、そのために、装置の大型化や価格が上がるなど課題があり、また、マイクロ波の漏えいや部分的な異常加熱が起こるなど、装置設計も困難になってしまうなどの課題がある。マイクロ波を集中させ、特定の部位に電界強度が極大になるマイクロ波照射方法を構築することで、上記問題を解決しつつ、電界強度を大きくすることが可能となる。 Generally, in order to increase the electric field strength, it is necessary to use a large-sized microwave generator, but there are problems such as an increase in the size of the device and an increase in price. There is a problem that device design becomes difficult, such as abnormal heating. By constructing a microwave irradiation method that concentrates microwaves and maximizes the electric field intensity at a specific portion, it is possible to increase the electric field intensity while solving the above problems.

本発明では、マイクロ波を特定の部位に集中して照射できる機構として、定在波を形成するシングルモードキャビティを用いる方法を使用する。シングルモードキャビティ中では、電磁界強度の強い場所と弱い場所の時間変化がないため、強い場所にマイクロ波の被加熱対象物質を配置することで、効果的なマイクロ波加熱が可能になる。
ここでシングルモードキャビティとは、特定の定在波を安定に形成することができるマイクロ波照射空間内のことをいう。定在波とは、波形が進行せずに止まって振動しているように見える波動のことで、電界強度が0の場所と、電界強度の強い場所の位置が変化しない状態が作られる。特に円筒型の共振空胴(キャビティ)により、TMnm0モード(nは0以上、mは1以上の整数)の定在波を形成した場合、円筒中心軸に配置した反応管流路部分に、マイクロ波を集中して照射することができるうえ、中心軸の軸方向には電界強度の分布が一様になり、反応液は常に制御された電界強度のマイクロ波を照射させることができる。このとき、反応管流路をマイクロ波を透過しやすい材料で構成することで、マイクロ波は内部の溶液に直接到達し、反応液を直接誘電加熱することができる。誘電加熱は、従来の伝熱による加熱よりきわめて短時間に発熱させることができるため、所定の反応温度になるよう溶液を迅速に加熱できる。また、反応液中の金属前駆体物質の化学反応が、マイクロ波照射により促進される場合もある。この場合は、加熱に必要な時間だけでなく、反応時間の短縮も期待できる。
本発明に用いられる電磁波照射手段は、電磁波を反応液に集中して照射できるものが好ましい。
例えば、電界を集中できる構造の電磁波照射空間の一つとして、空胴共振器とよばれる空間を利用した、特定の定在波を安定に形成できる容器を用いる方法がある。図2は円筒型の空胴共振器内に形成されたTM010とよばれる定在波の電界強度分布を示したものである。図中(A)は空胴共振器11の全体図、(B)は上記(A)に対応する、空胴共振器の円筒内径方向と電界強度との関係を示すグラフ、(C)は上記(A)に対応する空胴共振器の円筒の軸方向と電界強度との関係を示すグラフである。図2(A)において、11は空胴共振器、12はマイクロ波照射口であり、図2(B)のグラフは空胴共振器11の半径方向に対する電界強度を示す(横軸が空胴共振器11の半径と対応している)。TM010の定在波を用いれば、円筒の中心部に電界を集中できることがわかる。図2(C)のグラフは空胴共振器11の中心軸上の軸方向に対する電界強度を示す(縦軸が円筒空胴の中心軸上の位置に対応している)。TM010の定在波を用いれば、円筒中心軸上の電界強度は、位置によらず均一であることがわかる。つまり、円筒内に形成したTM010の定在波を有する空胴共振器を用い、その円筒の中心軸に沿って配置したチューブ状の反応器は、つねに強力でかつ均一な電界をもつマイクロ波を照射することが可能となる。図2では、TM010について説明したが、TMmn0(mは0以上、nは1以上の整数)の定在波も、円筒の半径方向に電界の集中する場所があり、中心軸に平行な部位では均一な電界強度を有するため、同様に利用することができる。また、図2では電界で説明したが、電磁波は磁界による加熱作用もあるため、磁界が強くなる部分を利用しても同様な効果を得ることができる。
In the present invention, a method of using a single mode cavity that forms a standing wave is used as a mechanism for irradiating a specific portion with microwaves in a concentrated manner. In the single mode cavity, there is no time change between the place where the electromagnetic field strength is strong and the place where the electromagnetic field strength is weak. Therefore, by arranging the microwave heating target material in the strong place, effective microwave heating becomes possible.
Here, the single mode cavity refers to the inside of the microwave irradiation space in which a specific standing wave can be stably formed. A standing wave is a wave in which the waveform seems to stop and vibrate without proceeding, and a state where the position of the electric field strength is 0 and a position where the electric field strength is strong does not change. In particular, when a standing wave of TM nm0 mode (n is 0 or more and m is an integer of 1 or more) is formed by a cylindrical resonance cavity (cavity), in the reaction tube flow path portion arranged on the central axis of the cylinder, In addition to being able to irradiate microwaves in a concentrated manner, the distribution of the electric field strength becomes uniform in the axial direction of the central axis, and the reaction liquid can always be irradiated with microwaves having a controlled electric field strength. At this time, by configuring the reaction tube flow path with a material that easily transmits microwaves, the microwaves directly reach the internal solution, and the reaction solution can be directly dielectrically heated. Dielectric heating can generate heat in an extremely short time as compared with conventional heat transfer, so that the solution can be rapidly heated to a predetermined reaction temperature. Further, the chemical reaction of the metal precursor substance in the reaction solution may be accelerated by microwave irradiation. In this case, not only the time required for heating but also the reduction of reaction time can be expected.
The electromagnetic wave irradiating means used in the present invention is preferably one capable of irradiating the reaction liquid with concentrated electromagnetic waves.
For example, as one of the electromagnetic wave irradiation spaces having a structure capable of concentrating an electric field, there is a method of using a space called a cavity resonator and using a container capable of stably forming a specific standing wave. FIG. 2 shows the electric field intensity distribution of a standing wave called TM 010 formed in a cylindrical cavity resonator. In the figure, (A) is an overall view of the cavity resonator 11, (B) is a graph corresponding to (A) and showing the relationship between the cylindrical inner diameter direction of the cavity resonator and the electric field strength, and (C) is the above. It is a graph which shows the relationship between the axial direction of the cylinder of a cavity resonator corresponding to (A), and electric field strength. In FIG. 2A, 11 is a cavity resonator, 12 is a microwave irradiation port, and the graph of FIG. 2B shows the electric field strength in the radial direction of the cavity resonator 11 (the horizontal axis represents the cavity). (It corresponds to the radius of the resonator 11). It can be seen that the electric field can be concentrated at the center of the cylinder by using the standing wave of TM 010 . The graph in FIG. 2C shows the electric field strength in the axial direction on the central axis of the cavity resonator 11 (the vertical axis corresponds to the position on the central axis of the cylindrical cavity). It can be seen that when the standing wave of TM 010 is used, the electric field strength on the central axis of the cylinder is uniform regardless of the position. That is, a tubular resonator having a standing wave of TM 010 formed inside a cylinder and arranged along the central axis of the cylinder is always used as a microwave reactor having a strong and uniform electric field. Can be irradiated. Although TM 010 was described in FIG. 2, a standing wave of TM mn0 (m is an integer of 0 or more and n is an integer of 1 or more) also has a location where the electric field is concentrated in the radial direction of the cylinder and is parallel to the central axis. Since the electric field strength is uniform at the site, it can be used similarly. In addition, although the explanation has been given with respect to the electric field in FIG. 2, since the electromagnetic wave also has a heating effect by the magnetic field, the same effect can be obtained even by utilizing the portion where the magnetic field becomes strong.

もうひとつの電界集中方法として、電磁波を反射させるミラーを用いる方法もある。特開2006−173069号及び同2006−286588号の各公報に記載されているような、楕円型の電磁波反射空間を用いた方法を用いることができる。楕円の一つの焦点から電磁波を供給させれば、もうひとつの焦点に電磁波を集中させることができる。この焦点の部分に反応液が通過するように反応管を配置することで同様の効果を得ることができる。 Another method for concentrating an electric field is to use a mirror that reflects electromagnetic waves. A method using an elliptical electromagnetic wave reflection space as described in JP-A 2006-173069 and JP-A 2006-286588 can be used. If the electromagnetic wave is supplied from one focus of the ellipse, the electromagnetic wave can be concentrated at the other focus. The same effect can be obtained by arranging the reaction tube so that the reaction solution passes through this focal point.

本発明では、シングルモードキャビティの空胴共振器として、例えば、TM010シングルモードキャビティの他に、TM110モードキャビティ、TM210モードキャビティ、TM020モードキャビティ、TE01モードキャビティなどが用いられる。また、流通管としては、照射するマイクロ波周波数が2.4〜2.5GHzでは内径2.9mm以下のミリメートルサイズの流通管、例えば、1.5mm以上2mm以下、1mm以上1.5mm以下、0.5mm以上1mm以下の流通管が用いられる。照射するマイクロ波周波数が2.4GHzより小さい場合は、流通管の太さはより太くても良いが、マイクロ波周波数が2.5GHzより大きな場合は、より細い流通管が望ましい。 In the present invention, as the cavity resonator of the single mode cavity, for example, in addition to the TM 010 single mode cavity, a TM 110 mode cavity, a TM 210 mode cavity, a TM 020 mode cavity, a TE 01 mode cavity, etc. are used. Further, as the flow pipe, a millimeter-size flow pipe having an inner diameter of 2.9 mm or less when the microwave frequency to be irradiated is 2.4 to 2.5 GHz, for example, 1.5 mm or more and 2 mm or less, 1 mm or more and 1.5 mm or less, 0 A distribution pipe of 0.5 mm or more and 1 mm or less is used. When the microwave frequency for irradiation is lower than 2.4 GHz, the thickness of the flow pipe may be larger, but when the microwave frequency is higher than 2.5 GHz, a thinner flow pipe is desirable.

本発明では、上述のような、照射するマイクロ波周波数が2.4〜2.5GHzでは内径が2.9ミリメートルサイズの流通管を用いることが重要である。流通管の外径及び長さについては、特に制限されるものではなく、また、キャビティ内に配置される流通管の形状及び構造についても、適宜設計することができる。 In the present invention, it is important to use the above-mentioned flow pipe having an inner diameter of 2.9 mm when the microwave frequency for irradiation is 2.4 to 2.5 GHz. The outer diameter and the length of the flow pipe are not particularly limited, and the shape and structure of the flow pipe arranged in the cavity can be appropriately designed.

本発明では、キャビティ内に配置する流通管の本数は、単数に限らず、複数配置することも適宜可能であり、また、複数の流通管を適宜の接続方法で接続して配置することで、流通する溶液に対するマイクロ波加熱効率を向上させることが可能である。単数の流通管を配置する方式に限らず、例えば2〜8本の流通管を配置する方式や、単数であっても、螺旋型の流通管を配置する方式など、適宜の方式を採用することができる。 In the present invention, the number of distribution pipes arranged in the cavity is not limited to a single, it is also possible to appropriately arrange a plurality, and by connecting and arranging a plurality of distribution pipes by a suitable connection method, It is possible to improve the microwave heating efficiency for the circulating solution. Not limited to the method of arranging a single distribution pipe, for example, a method of arranging 2 to 8 distribution pipes, or even a single method of arranging a spiral distribution pipe, an appropriate method may be adopted. You can

本発明では、流通管の内径を2.9mm以下のミリメートルサイズに細くすることにより、所期の効果が得られるが、流通管の内側に対して、上述のような、流通管の内側と流通する溶液との接触面積を拡大できる適宜の加工を施すことで、更にその効果を向上させることができる。 In the present invention, the desired effect can be obtained by reducing the inner diameter of the flow pipe to a millimeter size of 2.9 mm or less. The effect can be further improved by performing appropriate processing that can increase the contact area with the solution.

本発明では、見かけの誘電損率を大きくする方法として、被加熱対象物質とそれを保持する容器(流通管)壁面とに生じる相互作用を用いることを一つの特徴としている。例えば、帯電した壁面近傍の被加熱対象物質の分子は、壁面の電荷により、誘電分極が生じる。誘電分極は、電荷の偏りが生じる現象であり、この電荷の偏りにより、マイクロ波の吸収が高くなる。 One of the features of the present invention is to use an interaction generated between a substance to be heated and the wall surface of a container (flow pipe) holding the substance to be heated as a method for increasing the apparent dielectric loss factor. For example, the molecules of the substance to be heated near the charged wall surface are subjected to dielectric polarization due to the charge on the wall surface. Dielectric polarization is a phenomenon in which a bias in charge occurs, and the bias in charge increases microwave absorption.

本発明では、流通管表面による誘電分極を高めるために、流通管の接触面積を広くする手段が採用される。例えば、容器を小さくすることにより、反応液の体積当たりの表面積を高める方法、また、流通管を、図に示すように、細長くする方法、扁平にする方法、などが採用される。 In the present invention, in order to increase the dielectric polarization due to the surface of the flow pipe, a means for increasing the contact area of the flow pipe is adopted. For example, a method of increasing the surface area per volume of the reaction solution by reducing the size of the container, a method of making the flow pipe elongated as shown in the figure, a method of flattening it, and the like are adopted.

本発明では、前述のように、電界を集中させた部位に、流通管に保持した反応液を配置することで、非極性溶媒をもマイクロ波加熱することが可能である。本発明では、反応液の流体を流通させる流通管が用いられる。 In the present invention, the non-polar solvent can be microwave-heated by disposing the reaction solution held in the flow tube at the site where the electric field is concentrated as described above. In the present invention, a flow pipe for circulating the fluid of the reaction liquid is used.

前記の流通管の長さ方向に均一かつ集中的に電磁波を照射する(マイクロ波加熱する)。これにより流通管内の電磁波照射空間の反応液を流通方向にわたって均一に集中的に加熱できる。本明細書において、電磁波を均一に照射するとは、マイクロ波照射空間のうち、反応管部分に高いエネルギー密度の空間を形成させることをいい、均一に照射するとはこの反応管部分のどの位置でも、一様なエネルギー密度を有することをいう。この手段として、前記のように、例えば、流通管の照射空間内に定在波を形成する共振空胴を設けることが好ましい。このために用いる金属微粒子合成装置を図面を参照して説明する。 The electromagnetic wave is uniformly and intensively irradiated (microwave heating) in the length direction of the flow pipe. As a result, the reaction liquid in the electromagnetic wave irradiation space in the flow pipe can be uniformly and intensively heated in the flow direction. In the present specification, to uniformly irradiate electromagnetic waves means to form a space of high energy density in the reaction tube portion in the microwave irradiation space, and to uniformly irradiate at any position of this reaction tube portion, It has a uniform energy density. As this means, as described above, for example, it is preferable to provide a resonant cavity that forms a standing wave in the irradiation space of the flow pipe. A metal fine particle synthesizer used for this purpose will be described with reference to the drawings.

図1は、マイクロ波利用化学反応装置の構成例を示す。図1の装置は、マイクロ波発振器・制御器6、TM010キャビティ2、送液ポンプ3、からなる。キャビティは、内部に円筒型の空間を有する金属製の空胴共振器として構成したものである。この空間は、TM010と呼ばれる定在波が形成できるように、その内寸を適宜設定することができる。 FIG. 1 shows a configuration example of a microwave-assisted chemical reaction device. The apparatus of FIG. 1 includes a microwave oscillator/controller 6, a TM 010 cavity 2, and a liquid feed pump 3. The cavity is configured as a metallic cavity resonator having a cylindrical space inside. The inner size of this space can be appropriately set so that a standing wave called TM 010 can be formed.

TM010の定在波は図2中の下のグラフに示すよう中心部に電界が集中しており、軸に沿っては均一な電界強度分布を有している。この中心軸に沿って、貫通するように、石英ガラス管等から構成される反応管7を設置する。反応液8が、この石英ガラス管を流通できるように、片側に、送液ポンプ3を取り付けた。石英ガラス管の反対側には、流体の温度を計測できるように、温度計5として熱電対を取り付けた。また、内部の電界強度を計測するために、電界モニター4を取り付けた。 The standing wave of TM 010 has an electric field concentrated in the central portion as shown in the lower graph in FIG. 2, and has a uniform electric field intensity distribution along the axis. A reaction tube 7 composed of a quartz glass tube or the like is installed so as to penetrate along the central axis. The liquid feed pump 3 was attached to one side so that the reaction liquid 8 could flow through the quartz glass tube. A thermocouple as a thermometer 5 was attached to the opposite side of the quartz glass tube so that the temperature of the fluid could be measured. Further, an electric field monitor 4 was attached to measure the electric field strength inside.

マイクロ波発振器・制御器6から発生したマイクロ波は、マイクロ波照射口1を介して円筒型のTM010キャビティ2に照射される。このときのマイクロ波の発振周波数もしくは円筒型キャビティ2の内径を、キャビティ2内部にTM010の定在波が形成できるよう調整することができる。このとき、電界モニター4からの信号をもとに、TM010の定在波が形成されているか知ることができる。もし、定在波が形成されていない場合は、マイクロ波発振器・制御器6から発振されるマイクロ波発振周波数を変化させるか、キャビティ内径を調整するなどにより、定在波が形成されるよう、フィードバック制御を行ってもよい。
マイクロ波発振器・制御器6には、キャビティからの反射波を低減させるため、整合器を組み込んでも良い。また、反射波により、マイクロ波発振器や制御器の破損を防ぐために、反射波を吸収するアイソレータを組み込んでも良い。
The microwave generated from the microwave oscillator/controller 6 is applied to the cylindrical TM 010 cavity 2 through the microwave irradiation port 1. The oscillation frequency of the microwave at this time or the inner diameter of the cylindrical cavity 2 can be adjusted so that a standing wave of TM 010 can be formed inside the cavity 2. At this time, based on the signal from the electric field monitor 4, it is possible to know whether the standing wave of TM 010 is formed. If the standing wave is not formed, the standing wave is formed by changing the microwave oscillation frequency oscillated from the microwave oscillator/controller 6 or adjusting the inner diameter of the cavity. Feedback control may be performed.
A matching device may be incorporated in the microwave oscillator/controller 6 in order to reduce the reflected wave from the cavity. Further, in order to prevent damage to the microwave oscillator and the controller due to the reflected wave, an isolator that absorbs the reflected wave may be incorporated.

反応管としては、内径1mm、外径3mm、長さ200mmのテフロン(登録商標)管を用いた。このうち、長さ方向の100mmの部分をキャビティ内に入れ、この部分にマイクロ波が照射されるようにした。ただし、反応管の長さやマイクロ波照射部の長さは、これ以上でも以下でもよい。マイクロ波出力は、反応管出口に設置した温度計5の値を一定に保てるよう、マイクロ波発振器・制御器6を介して自動調製してもよい。反応管温度を測る方法としては、放射温度計により反応管外壁の温度を非接触で測る方法もある。 As the reaction tube, a Teflon (registered trademark) tube having an inner diameter of 1 mm, an outer diameter of 3 mm and a length of 200 mm was used. Of these, a 100 mm portion in the length direction was placed in the cavity, and this portion was irradiated with microwaves. However, the length of the reaction tube and the length of the microwave irradiation part may be longer or shorter than this. The microwave output may be automatically adjusted via the microwave oscillator/controller 6 so that the value of the thermometer 5 installed at the outlet of the reaction tube can be kept constant. As a method of measuring the temperature of the reaction tube, there is also a method of measuring the temperature of the outer wall of the reaction tube in a non-contact manner with a radiation thermometer.

本発明を実現するための、第2の構成例を図23に示す。これは反応液の供給方法としては、別々の調製した2種類以上の原料溶液を個別のポンプを用いて供給し、マイクロ波キャビティ2に流入する直前により、混合器13により混合し、反応液とするものである。たとえば、金属前駆物質と添加物の反応性が高い場合などは、マイクロ波照射前に目的外の反応の進行が進み、目的外の粒子径分布を持つ金属ナノ粒子が合成される可能性があるが、本構成ではそのような場合でも、粒子径の揃った金属ナノ粒子の製造が可能である。 A second configuration example for realizing the present invention is shown in FIG. As a method of supplying the reaction solution, two or more kinds of separately prepared raw material solutions are supplied using individual pumps, and the mixture is mixed by the mixer 13 immediately before flowing into the microwave cavity 2 to obtain the reaction solution. To do. For example, when the reactivity of the metal precursor and the additive is high, unintended reaction may proceed before microwave irradiation and metal nanoparticles having unintended particle size distribution may be synthesized. However, with this configuration, even in such a case, it is possible to produce metal nanoparticles having a uniform particle size.

本発明を実現するための、第3の構成例を図24に示す。これは、マイクロ波照射後の反応液を別の温度調節器14に導入するものである。反応時間が遅い場合は温度調節器で適切な温度に加温することで、金属ナノ粒子の成長を促進させることができる。また、反応時間が早い反応液の場合は、冷却することで、金属ナノ粒子の成長を停止させ、均一な粒径をもつ金属ナノ粒子の製造を行うことが可能である。 A third configuration example for realizing the present invention is shown in FIG. This introduces the reaction liquid after microwave irradiation into another temperature controller 14. When the reaction time is slow, the growth of the metal nanoparticles can be promoted by heating to an appropriate temperature with a temperature controller. Further, in the case of a reaction solution having a short reaction time, it is possible to stop the growth of the metal nanoparticles by cooling to produce metal nanoparticles having a uniform particle size.

本発明の実施の形態を実現するための、第4の構成例を図25に示す。これは、マイクロ波照射後の反応液を再循環させ、再びマイクロ波を照射するものである。長時間マイクロ波を照射する必要がある場合に適した構成である。 FIG. 25 shows a fourth configuration example for realizing the embodiment of the present invention. In this method, the reaction liquid after microwave irradiation is recirculated and microwaves are irradiated again. This configuration is suitable when it is necessary to irradiate the microwave for a long time.

次に本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1に示すマイクロ波利用化学反応装置を用い、TM010キャビティ中心軸に沿って反応管として内径1mm、外径3mm長さ200mmのテフロン(登録商標)反応管を取り付けた。テフロン(登録商標)反応管の片側からエチレングリコールに溶解させた反応原料をシリンジポンプにより供給した。反応原料には、100mmの区間で均一なエネルギー分布をもつマイクロ波が照射される。これにより溶液温度が上昇する。溶液の温度は、TM010キャビティのマイクロ波照射空間の出口から10mm離れた部分に挿入された熱電対により温度の計測を行い、この部分の温度が一定になるようマイクロ波電力の調整をフィードバック制御により行っている。
マイクロ波の周波数としては、後述の実施例25では、2.45GHzと5.8GHzのものを用い、それ以外では、2.45GHzのものを用いた。
Next, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention is not limited thereto.
Using the microwave-based chemical reaction device shown in FIG. 1, a Teflon (registered trademark) reaction tube having an inner diameter of 1 mm, an outer diameter of 3 mm and a length of 200 mm was attached as a reaction tube along the central axis of the TM 010 cavity. The reaction raw material dissolved in ethylene glycol was supplied from one side of the Teflon (registered trademark) reaction tube by a syringe pump. The reaction raw material is irradiated with microwaves having a uniform energy distribution in a section of 100 mm. This raises the solution temperature. The temperature of the solution is measured by a thermocouple inserted in a part 10 mm away from the outlet of the microwave irradiation space of the TM 010 cavity, and the microwave power is adjusted by feedback control so that the temperature of this part becomes constant. Is done by.
In Example 25, which will be described later, microwave frequencies of 2.45 GHz and 5.8 GHz were used, and other frequencies were 2.45 GHz.

反応原料を含んだ溶液はマイクロ波照射により粒子形成が促進され、反応管出口では、ナノ粒子懸濁液として回収される。ナノ粒子懸濁液は、紫外可視吸収スペクトルメータ(日立U−3310)により吸収スペクトルを測定した。また動的光散乱(MALVERN INSTRUMENTS製Zetasizer Nano−S)により粒子径の測定を行った。回収されたナノ粒子を乾燥したものをTEM(FEI製TECNAI G2)により観測した。反応後の溶液は孔径0.02μmのフィルターにより濾過し、合成した金属粒子と未反応液を分離した。このうち未反応液中に含まれる原料物質の濃度を誘導結合型原子吸光装置(セイコーインスツルメンツ製、SPS1500)により分析し、以下の式より反応率を求めた。
反応率=(1−未反応液に含まれる原料物質の濃度)÷(反応前溶液に含まれる原料物質の濃度)×100%
Microwave irradiation accelerates particle formation in the solution containing the reaction raw material, and is recovered as a nanoparticle suspension at the outlet of the reaction tube. The absorption spectrum of the nanoparticle suspension was measured with an ultraviolet-visible absorption spectrometer (Hitachi U-3310). The particle diameter was measured by dynamic light scattering (Zetasizer Nano-S manufactured by MALVERN INSTRUMENTS). The dried nanoparticles were observed by TEM (TECNAI G 2 manufactured by FEI). The solution after the reaction was filtered with a filter having a pore size of 0.02 μm to separate the synthesized metal particles and the unreacted liquid. Of these, the concentration of the raw material contained in the unreacted liquid was analyzed by an inductively coupled atomic absorption spectrometer (SPS1500, manufactured by Seiko Instruments), and the reaction rate was calculated from the following formula.
Reaction rate = (1-concentration of raw material contained in unreacted liquid) / (concentration of raw material contained in pre-reaction solution) x 100%

表1、2に実施例として用いた反応原料の組成を示す。マイクロ波の周波数としては、後述の実施例25では、2.45GHzと5.8GHzのものを用い、それ以外では、2.45GHzのものを用いた。
実施例1〜16については、金属前駆物質として硝酸銀を用い、液媒体としてエチレングリコールを用いて、銀ナノ粒子の合成を行ったものである。添加剤としてポリビニルピロリドンを加えることで、粒子サイズの調整や合成した銀ナノ粒子の安定化を行っている。反応原料は特に記述がない限り、送液速度10ml/hで行った。照射マイクロ波パワーは15Wであり、そのときの溶液温度は160℃であった。
Tables 1 and 2 show the compositions of the reaction raw materials used as examples. In Example 25, which will be described later, microwave frequencies of 2.45 GHz and 5.8 GHz were used, and other frequencies were 2.45 GHz.
In Examples 1 to 16, silver nanoparticles were synthesized using silver nitrate as a metal precursor and ethylene glycol as a liquid medium. By adding polyvinylpyrrolidone as an additive, the particle size is adjusted and the synthesized silver nanoparticles are stabilized. Unless otherwise specified, the reaction raw materials were fed at a liquid feeding rate of 10 ml/h. The irradiation microwave power was 15 W, and the solution temperature at that time was 160°C.

実施例1〜3には、添加剤のポリビニルピロリドンの数平均分子量を変えた場合、合成された銀ナノ粒子に及ぼす影響を調べたものである。このときの反応原料の供給速度は10ml/hであり、15Wのマイクロ波を連続的に照射している。反応液の温度は、160℃であった。図3に、合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す。添加剤の組成を変えることで、目的とする銀ナノ粒子の粒子サイズを調整可能なことがわかる。 In Examples 1 to 3, the effect on the synthesized silver nanoparticles when the number average molecular weight of polyvinylpyrrolidone as an additive was changed was examined. The supply rate of the reaction raw material at this time was 10 ml/h, and the microwave of 15 W was continuously irradiated. The temperature of the reaction solution was 160°C. FIG. 3 shows the particle size distribution of the synthesized silver nanoparticles. It can be seen that the particle size of the intended silver nanoparticles can be adjusted by changing the composition of the additive.

実施例4〜8には、添加剤のポリビニルピロリドンの添加量を変えた場合、合成された銀ナノ粒子に及ぼす影響を調べたものである。このときの反応原料の供給速度は10ml/hであり、15Wのマイクロ波を連続的に照射している。反応液の温度は、160℃であった。図4に、合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す。添加剤の添加量を変えることで、目的とする銀ナノ粒子の粒子サイズを調整可能なことがわかる。 In Examples 4 to 8, the effect on the synthesized silver nanoparticles when the addition amount of the polyvinylpyrrolidone additive was changed was examined. The supply rate of the reaction raw material at this time was 10 ml/h, and the microwave of 15 W was continuously irradiated. The temperature of the reaction solution was 160°C. FIG. 4 shows the particle size distribution of the synthesized silver nanoparticles. It can be seen that the target particle size of the silver nanoparticles can be adjusted by changing the addition amount of the additive.

実施例9〜14には、金属前駆物質である硝酸銀の濃度を変えた場合、合成された銀ナノ粒子に及ぼす影響を調べたものである。このときの反応原料の供給速度は10ml/hであり、15Wのマイクロ波を連続的に照射している。反応液の温度は、160℃であった。図5に、合成された銀ナノ粒子の粒子径分布を示す。硝酸銀の添加量を変えることで、目的とする銀ナノ粒子の粒子サイズを調整可能なことがわかる。図6は、実施例14において溶液の供給速度100ml/h、反応温度160℃の条件で合成した銀ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。平均粒子径9.8nmで、標準偏差が0.9とCV値が9.2%(50個分析の結果))の分布をもつ粒子径の均一な銀ナノ粒子が合成されている。 In Examples 9 to 14, the effect of changing the concentration of silver nitrate, which is a metal precursor, on the synthesized silver nanoparticles was investigated. The supply rate of the reaction raw material at this time was 10 ml/h, and the microwave of 15 W was continuously irradiated. The temperature of the reaction solution was 160°C. FIG. 5 shows the particle size distribution of the synthesized silver nanoparticles. It can be seen that the particle size of the intended silver nanoparticles can be adjusted by changing the addition amount of silver nitrate. FIG. 6 is a transmission electron microscope image of silver nanoparticles synthesized in Example 14 under the conditions of a solution supply rate of 100 ml/h and a reaction temperature of 160° C. Silver nanoparticles with a uniform particle size having an average particle size of 9.8 nm, a standard deviation of 0.9 and a CV value distribution of 9.2% (result of 50 particles analysis) were synthesized.

実施例15は、長時間の連続合成をおこなったものである。その際の溶液温度の時間変化を図7に、マイクロ波照射パワー(TM010キャビティーへの入射波―反射波)を図8に示す。このときの反応原料の供給速度は10ml/hであり、5時間以上にわたって連続的に銀ナノ粒子の合成を行っている。図9には、1時間後ごとにサンプリングした反応後溶液の粒子分布を示す。15nm程度の非常に小さく、揃った粒子が合成されていることがわかる。また、図10には吸収スペクトルを示す。吸収スペクトルでは395nmの銀ナノ粒子特有の吸収スペクトルが確認されている。図7、図8、図9、図10からあきらかなように、長時間にわたって安定した銀ナノ粒子が連続的に合成できていることがわかる。このときの、金属前駆物質が金属ナノ粒子に変換された、反応添加率を分析したところ、いずれの時間帯においても95%以上であり、高効率に金属ナノ粒子が製造できている。 Example 15 is a continuous synthesis for a long time. The time change of the solution temperature at that time is shown in FIG. 7, and the microwave irradiation power (incident wave to TM 010 cavity—reflected wave) is shown in FIG. The supply rate of the reaction raw material at this time was 10 ml/h, and silver nanoparticles were continuously synthesized for 5 hours or more. FIG. 9 shows the particle distribution of the post-reaction solution sampled every hour. It can be seen that very small and uniform particles of about 15 nm are synthesized. Further, FIG. 10 shows an absorption spectrum. In the absorption spectrum, an absorption spectrum peculiar to silver nanoparticles of 395 nm is confirmed. As is clear from FIG. 7, FIG. 8, FIG. 9, and FIG. 10, it can be seen that stable silver nanoparticles can be continuously synthesized over a long period of time. At this time, when the reaction addition rate in which the metal precursor was converted into metal nanoparticles was analyzed, it was 95% or more in any time period, and the metal nanoparticles could be produced with high efficiency.

実施例7の条件において、反応液の送液速度を変えた結果を図11に示す。送液速度10ml/hから200ml/hで実施した。10ml/hから100ml/hでは、合成される銀ナノ粒子の粒子径分布に大きな違いはないが、200ml/hでは粒子の均一性が著しく損なわれていることがわかる。粒子が均一性であるとは粒子サイズ分布が所定値を中心に狭い分布範囲にあることを言う。これは、マイクロ波照射空間が100mmであり、送液速度が速い場合、銀ナノ粒子合成に必要なマイクロ波が十分照射されていないためと考えられる。このような場合、マイクロ波照射空間であるTM010キャビティを長いものに交換すればよいと考えられる。TM010キャビティの特徴として、円筒長を長くしても、均一なマイクロ波照射空間を作り出すことができる。 The results obtained by changing the liquid feed rate of the reaction solution under the conditions of Example 7 are shown in FIG. It was carried out at a liquid transfer rate of 10 ml/h to 200 ml/h. At 10 ml/h to 100 ml/h, there is no significant difference in the particle size distribution of the silver nanoparticles synthesized, but at 200 ml/h, it can be seen that the uniformity of the particles is significantly impaired. The particles being uniform means that the particle size distribution is within a narrow distribution range around a predetermined value. It is considered that this is because the microwave irradiation space is 100 mm and the microwave required for silver nanoparticle synthesis is not sufficiently irradiated when the liquid feeding speed is high. In such a case, it is considered that the TM 010 cavity, which is the microwave irradiation space, should be replaced with a longer one. A feature of the TM 010 cavity is that even if the cylinder length is increased, a uniform microwave irradiation space can be created.

実施例15および実施例16は、溶媒を変化させて合成される銀ナノ粒子の粒子径分布の違いを調べたものである。図12にグリセロール溶媒(反応温度 200℃)、図13にベンジルアルコール溶媒(反応温度180度)で行ったときの合成された銀ナノ粒子の粒径分布を示す。エチレングリコール以外の液溶媒においても、金属ナノ粒子の合成が可能であることがわかる。 In Example 15 and Example 16, the difference in particle size distribution of silver nanoparticles synthesized by changing the solvent was examined. FIG. 12 shows the particle size distribution of the synthesized silver nanoparticles when a glycerol solvent (reaction temperature 200° C.) and a benzyl alcohol solvent (reaction temperature 180° C.) are used. It can be seen that the metal nanoparticles can be synthesized using a liquid solvent other than ethylene glycol.

実施例17として金ナノ粒子の合成を行った。金属前駆物質として塩化金酸を、液溶媒として水を用い、還元剤としてクエン酸を反応液に加えた。反応温度90℃送液速度5ml/hで金ナノ粒子の合成をおこなったときの、反応後溶液の粒径分布を図14に示す。銀ナノ粒子同様、粒子径分布のそろった金ナノ粒子の連続合成が可能であることがわかる。 As Example 17, gold nanoparticles were synthesized. Chloroauric acid was used as a metal precursor, water was used as a liquid solvent, and citric acid was added as a reducing agent to the reaction liquid. FIG. 14 shows the particle size distribution of the solution after the reaction when the gold nanoparticles were synthesized at a reaction temperature of 90° C. and a liquid feed rate of 5 ml/h. As with silver nanoparticles, it can be seen that continuous synthesis of gold nanoparticles with a uniform particle size distribution is possible.

Figure 2020111831
Figure 2020111831

実施例18および実施例19は白金ナノ粒子およびパラジウムナノ粒子の合成例である。図15は反応温度160℃ 送液速度10ml/hで合成した場合の白金粒子およびパラジウム粒子の粒子径分布を示す。銀ナノ粒子同様に、粒子径の揃った粒子の合成が可能であることがわかる。
実施例20および実施例21は、生産性を考慮し、金属前駆物質を高濃度とした場合の、合成された粒子に及ぼす影響を調べたものである。図16は、反応温度160℃、送液速度10ml/hで合成した場合の銀ナノ粒子および白金ナノ粒子の粒径分布を示している。金属前駆物質を高濃度として合成した場合においても、粒子径分布の揃った粒子が合成されることがわかる。
実施例22〜24は、添加剤として高分子分散剤を用いた場合の、合成された粒子に及ぼす影響を調べたものである。実施例22〜24で使用した高分子分散剤は数平均分子量が10,000〜50,000の分散剤である。図17は実施例22の条件で合成した銀ナノ粒子、図18は実施例23の条件で合成した白金ナノ粒子、図19は実施例24の条件で合成した白金ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。粒子径の揃った球形のナノ粒子が合成されていることがわかる。
実施例25は、照射したマイクロ波の周波数を変えた場合の、合成された粒子に及ぼす影響を調べたものである。図20は、マイクロ波周波数が2.45GHzおよび5.8GHzで合成した銀ナノ粒子の粒子径分布を示している。マイクロ波周波数が5.8GHzにおいても、粒子径分布の揃った銀ナノ粒子が合成されていることがわかる。
実施例26は、図1で示される構成例と図23で示される第2の構成例にて、銀ナノ粒子を合成した場合の、合成された粒子に及ぼす影響を比較したものである。図21は反応温度160℃ 総送液速度10ml/hで合成した場合の銀ナノ粒子の粒子径分布を示している。硝酸銀を含むエチレングリコール溶液と、添加剤を含むエチレングリコール溶液を個別に供給した場合においても、粒子径分布の揃った銀ナノ粒子が合成されることがわかる。
実施例27は、図24で示される第3の構成例にて銀ナノ粒子を合成した場合の、合成された粒子に及ぼす影響を調べたものである。図22は、温度調節器を用いて冷却した場合における銀ナノ粒子の透過電子顕微鏡画像である。粒子径の揃った球形の銀ナノ粒子が合成されていることがわかる。
Examples 18 and 19 are synthetic examples of platinum nanoparticles and palladium nanoparticles. FIG. 15 shows the particle size distribution of platinum particles and palladium particles when synthesized at a reaction temperature of 160° C. and a liquid feed rate of 10 ml/h. It can be seen that it is possible to synthesize particles having a uniform particle size, like silver nanoparticles.
In Example 20 and Example 21, considering the productivity, the effect of the high concentration of the metal precursor on the synthesized particles was examined. FIG. 16 shows the particle size distribution of silver nanoparticles and platinum nanoparticles when synthesized at a reaction temperature of 160° C. and a liquid feed rate of 10 ml/h. It can be seen that even when the metal precursor is synthesized at a high concentration, particles having a uniform particle size distribution are synthesized.
In Examples 22 to 24, the effect on the synthesized particles when a polymer dispersant was used as an additive was investigated. The polymer dispersant used in Examples 22 to 24 is a dispersant having a number average molecular weight of 10,000 to 50,000. 17 is a silver nanoparticle synthesized under the conditions of Example 22, FIG. 18 is a platinum nanoparticle synthesized under the conditions of Example 23, and FIG. 19 is a transmission electron microscope image of platinum nanoparticles synthesized under the conditions of Example 24. is there. It can be seen that spherical nanoparticles of uniform particle size are synthesized.
Example 25 is an examination of the effect on the synthesized particles when the frequency of the irradiated microwave is changed. FIG. 20 shows a particle size distribution of silver nanoparticles synthesized at microwave frequencies of 2.45 GHz and 5.8 GHz. It can be seen that silver nanoparticles having a uniform particle size distribution are synthesized even at a microwave frequency of 5.8 GHz.
Example 26 is a comparison of the effects on the synthesized particles when silver nanoparticles are synthesized in the configuration example shown in FIG. 1 and the second configuration example shown in FIG. 23. FIG. 21 shows the particle size distribution of silver nanoparticles when synthesized at a reaction temperature of 160° C. and a total liquid transfer rate of 10 ml/h. It can be seen that even when the ethylene glycol solution containing silver nitrate and the ethylene glycol solution containing additives are individually supplied, silver nanoparticles having a uniform particle size distribution are synthesized.
Example 27 is an examination of the influence on the synthesized particles when silver nanoparticles were synthesized in the third configuration example shown in FIG. FIG. 22 is a transmission electron microscope image of silver nanoparticles when cooled using a temperature controller. It can be seen that spherical silver nanoparticles of uniform particle size are synthesized.

Figure 2020111831
Figure 2020111831

1 マイクロ波照射口
2 TM010キャビティ
3 送液ポンプ
4 電界モニター
5 温度計
6 マイクロ波発振器・制御器
7 反応管
8 反応液
11 空胴共振器
12 マイクロ波照射口
13 混合器
14 温度調節器
1 Microwave Irradiation Port 2 TM 010 Cavity 3 Liquid Delivery Pump 4 Electric Field Monitor 5 Thermometer 6 Microwave Oscillator/Controller 7 Reaction Tube 8 Reaction Liquid 11 Cavity Resonator 12 Microwave Irradiation Port 13 Mixer 14 Temperature Controller

Claims (2)

金属前駆物質を含有する反応液を、マイクロ波照射空間内に配置された流通管内に流通させるとともに、該マイクロ波照射空間内の該流通管に向けて流通管の外部からマイクロ波を照射し、このマイクロ波照射により前記流通管内にある反応液を加熱し、金属微粒子を合成する金属微粒子の製造方法であって、
該マイクロ波の発生装置として、周波数帯域として、周波数2.4〜2.5GHz周波数帯域が割り当てられているか又は製品の規格周波数帯域になっている装置を用い、
該流通管の該マイクロ波照射場に配置される部分の平均内径が2.84mmより細い流通管を用いることを特徴とする金属微粒子の製造方法。
A reaction liquid containing a metal precursor is circulated in a flow pipe arranged in the microwave irradiation space, and a microwave is irradiated from the outside of the flow pipe toward the flow pipe in the microwave irradiation space, A method for producing fine metal particles, comprising heating the reaction liquid in the flow pipe by microwave irradiation to synthesize fine metal particles,
As the microwave generation device, a device to which a frequency band of 2.4 to 2.5 GHz is allocated as a frequency band or a standard frequency band of a product is used,
A method for producing metal fine particles, characterized in that a flow tube having an average inner diameter of a portion of the flow tube arranged in the microwave irradiation field is smaller than 2.84 mm.
請求項1に記載の金属微粒子の製造方法において、該電磁波を照射された反応液を温度調節器に導くことを特徴とする金属微粒子の製造方法。 The method for producing metal fine particles according to claim 1, wherein the reaction liquid irradiated with the electromagnetic wave is guided to a temperature controller.
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