JP6317606B2 - Method for producing metal nanoparticle-coated substrate - Google Patents
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Description
本発明は、析出速度を改善した金属ナノ粒子の製造方法及びこの製造方法を利用した金属ナノ粒子被覆基材の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles having an improved deposition rate and a method for producing a metal nanoparticle-coated substrate using the production method.
数ｎｍから数十ｎｍの粒径を有する金属ナノ粒子は、極めて大きな比表面積を有するのみならず、量子サイズ効果等のサブミクロン径の金属粒子にはない特有の特性を示す。これらの特性を利用した用途が様々に開発されており、金属ナノ粒子の工業材料としての重要性が近年益々高まっている。 Metal nanoparticles having a particle size of several nanometers to several tens of nanometers not only have a very large specific surface area, but also exhibit unique characteristics such as quantum size effects that are not found in metal particles having a submicron diameter. Various uses utilizing these characteristics have been developed, and the importance of metal nanoparticles as industrial materials has been increasing in recent years.
金属ナノ粒子の製造方法として、金属塩溶液に還元剤を添加して超音波照射を行う製造方法が知られていた（特許文献１〜３）。 As a method for producing metal nanoparticles, a production method in which a reducing agent is added to a metal salt solution and ultrasonic irradiation is performed is known (Patent Documents 1 to 3).
また、金属塩溶液への超音波照射によって発生する硝酸が金属ナノ粒子の生成を阻害することを防止するため、アルゴンガスを用いて溶存する酸素ガス及び窒素ガスをパージした機能水を予め作成して、この機能水を金属塩溶液と混合して溶液中の金属イオンを還元する金属ナノ粒子の製造方法も知られている（特許文献４）。 In addition, in order to prevent nitric acid generated by ultrasonic irradiation of the metal salt solution from inhibiting the production of metal nanoparticles, functional water purged with oxygen gas and nitrogen gas dissolved using argon gas is prepared in advance. In addition, a method for producing metal nanoparticles in which this functional water is mixed with a metal salt solution to reduce metal ions in the solution is also known (Patent Document 4).
しかしながら、上記の機能水を用いた金属ナノ粒子の製造方法では、金属イオンの還元反応の反応速度が遅く、金属ナノ粒子の生産性が低いという課題があった。 However, the above-described method for producing metal nanoparticles using functional water has a problem that the reaction rate of the metal ion reduction reaction is slow and the productivity of the metal nanoparticles is low.
本発明は、上記の課題に着目して完成されたものである。その目的とするところは、溶液中での金属イオンの還元反応の反応速度を改善して、金属ナノ粒子の生産性を高めた金属ナノ粒子の製造方法、並びに金属ナノ粒子を基材表面の酸化を抑制しながら付着させて薄膜化する金属ナノ粒子被覆基材の製造方法を提供することにある。 The present invention has been completed by paying attention to the above problems. The purpose is to improve the reaction rate of the reduction reaction of metal ions in solution to increase the productivity of metal nanoparticles, and to oxidize metal nanoparticles on the substrate surface. An object of the present invention is to provide a method for producing a metal nanoparticle-coated substrate that is made to adhere to a thin film while suppressing the above.
上記の課題を解決するための第一の手段は、金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する溶液に超音波照射を行い、前記金属塩の金属をナノ粒子として析出させることである。 The first means for solving the above problem is to perform ultrasonic irradiation on a solution containing a metal salt, argon gas, and alcohol to precipitate the metal of the metal salt as nanoparticles.
第二の手段は、前記金属塩を溶媒に溶解させて金属塩溶液を作成する工程と、
前記アルゴンガスを用いて、前記金属塩溶液に溶存する酸素ガス及び窒素ガスをパージすると共に、前記アルゴンガスを前記金属塩溶液に溶存させる工程と、
前記アルゴンガスが溶存した金属塩溶液に前記アルコールを添加する工程と、
前記アルゴンガス及びアルコールが溶存する金属塩溶液に前記超音波照射を行うことにより、前記金属ナノ粒子を析出させる工程と、を有することである。
The second means is a step of dissolving the metal salt in a solvent to prepare a metal salt solution;
Purging oxygen gas and nitrogen gas dissolved in the metal salt solution using the argon gas, and dissolving the argon gas in the metal salt solution;
Adding the alcohol to the metal salt solution in which the argon gas is dissolved;
A step of depositing the metal nanoparticles by irradiating the metal salt solution in which the argon gas and the alcohol are dissolved with the ultrasonic wave.
第三の手段は、前記アルコールがプロパノールであることである。 A third means is that the alcohol is propanol.
第四の手段は、金属塩、アルゴンガス、アルコール、及び基材を含有する溶液に超音波照射を行い、前記金属塩の金属をナノ粒子として析出させて前記基材の表面に付着させることである。 A fourth means is to irradiate a solution containing a metal salt, argon gas, alcohol, and a base material with ultrasonic waves, and deposit the metal of the metal salt as nanoparticles and adhere to the surface of the base material. is there.
第五の手段は、前記基材が粉末であることである。 A fifth means is that the substrate is a powder.
第六の手段は、前記基材が酸化を嫌う材料を含むことである。 The sixth means is that the base material contains a material that is not subject to oxidation.
第七の手段は、前記酸化を嫌う材料が二価の鉄であることである。 The seventh means is that the material that dislikes oxidation is divalent iron.
本発明によれば、金属イオン、アルゴンガス、及びアルコールを含有する溶液に超音波照射を行うことから、この超音波照射によって発生したアルゴンガスの微小気泡の圧壊による溶液温度の上昇によって水素ラジカル（・Ｈ）及びアルコール由来の炭化水素ラジカル（・Ｒ）の生成量が増大し、溶液中の金属イオンの還元反応の反応速度を改善することができる。このことにより、金属ナノ粒子の析出速度が改善されて、金属ナノ粒子の生産性が向上すると共に、溶液中に基材を予め浸漬しておいた場合には、大量に析出した金属ナノ粒子が基材表面に付着するため、金属ナノ粒子被覆基材を容易に製造することができる。 According to the present invention, since a solution containing metal ions, argon gas, and alcohol is subjected to ultrasonic irradiation, the hydrogen radical (by the rise in the solution temperature due to the collapse of the argon gas microbubbles generated by the ultrasonic irradiation) The production amount of hydrocarbon radicals (.R) derived from H) and alcohol can be increased, and the reaction rate of the reduction reaction of metal ions in the solution can be improved. As a result, the deposition rate of the metal nanoparticles is improved, the productivity of the metal nanoparticles is improved, and when the substrate is pre-immersed in the solution, a large amount of the metal nanoparticles are deposited. Since it adheres to the substrate surface, the metal nanoparticle-coated substrate can be easily produced.
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。下記の実施形態１では、金属ナノ粒子の製造方法を、また実施形態２では、実施形態１の製造方法で得られた金属ナノ粒子を基材表面に付着させる金属ナノ粒子被覆基材の製造方法を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the following Embodiment 1, a method for producing metal nanoparticles, and in Embodiment 2, a method for producing a metal nanoparticle-coated substrate in which the metal nanoparticles obtained by the production method of Embodiment 1 are attached to the substrate surface. Will be explained.
（実施形態１）
金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する水溶液に超音波照射を行うと、下記の反応式１に示す水のラジカル化反応によって水素ラジカル（・Ｈ）及びヒドロキシラジカル（・ＯＨ）が生成する。
Ｈ２Ｏ → ・Ｈ ＋ ・ＯＨ （反応式１）
(Embodiment 1)
When ultrasonic irradiation is performed on an aqueous solution containing a metal salt, argon gas, and alcohol, hydrogen radicals (.H) and hydroxy radicals (.OH) are generated by water radicalization reaction shown in the following reaction formula 1.
H 2 O → H + OH (Reaction Formula 1)
この超音波照射による水のラジカル化反応は吸熱反応であるから、超音波の照射出力が大きいほど又は水溶液の温度が高いほど、水溶液中で生成する水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの量が増えることになる。また、水溶液中の溶存気体の種類によっても水のラジカル化反応の反応速度は影響を受ける。すなわち、水溶液中に溶存する気体の比熱比が高いほど、水溶液への超音波照射によって発生する微小気泡の圧壊による気泡周囲の温度上昇幅が大きくなるため、水のラジカル化反応が生じ易くなり、水溶液中の水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量が増大する。 Since the radicalization reaction of water by ultrasonic irradiation is an endothermic reaction, the larger the ultrasonic irradiation output or the higher the temperature of the aqueous solution, the more hydrogen radicals and hydroxy radicals are generated in the aqueous solution. . The reaction rate of the water radicalization reaction is also affected by the type of dissolved gas in the aqueous solution. That is, the higher the specific heat ratio of the gas dissolved in the aqueous solution, the greater the temperature rise width around the bubbles due to the collapse of the microbubbles generated by ultrasonic irradiation to the aqueous solution, so the radicalization reaction of water tends to occur, The production amount of hydrogen radicals and hydroxy radicals in the aqueous solution increases.
ここで、水溶液に溶存する気体の種類によって水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量が変化することについて具体的に説明する。超音波照射により水溶液中に発生した微小気泡の圧壊は断熱圧縮変化とみなすことができる。断熱変化の場合、ポアソンの法則：ＰＶγ＝一定（γ＝Ｃｐ／Ｃｖ、γ：比熱比、Ｃｐ：定圧比熱、定積比熱）より、状態１（Ｐ１、Ｖ１、Ｔ１）から状態２（Ｐ２、Ｖ２、Ｔ２）への断熱圧縮変化について、Ｐ２／Ｐ１＝（Ｖ１／Ｖ２）γ→Ｔ２／Ｔ１＝（Ｖ１／Ｖ２）γ−１の関係式がほぼ成り立つ。断熱圧縮変化の場合は、（Ｖ１／Ｖ２）＞１であるから、水溶液中に溶存する気体の比熱比γが大きいほど、断熱圧縮変化後の温度Ｔ２が高くなる。換言すれば、水溶液中に溶存する気体の比熱比γが大きいほど、水溶液中に発生した微小気泡の圧壊による水溶液の温度上昇幅が大きくなるので、水のラジカル化反応による水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量が増大することになる。ここで、酸素ガス、窒素ガス、大気、及びアルゴンガスの比熱比はそれぞれ、酸素ガス（Ｏ２）＝１．３９６、窒素ガス（Ｎ２）＝１．４０１、大気（Ａｉｒ）＝１．４０１７、アルゴンガス（Ａｒ）＝１．６７０である（日本化学会編 化学便覧基礎編II ５訂 ２４２頁 丸善 ２００４年発行）。したがって、これらの溶存気体を比熱比γの大きさの順に並べると、Ａｒ＞Ａｉｒ＞Ｎ２＞Ｏ２となり、溶存気体の種類以外の超音波照射条件が全く同じ場合は、水溶液中での水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量は前記の順となる。なお、溶存気体の量やその蒸気圧によっても水溶液中での水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量は影響を受けるが、室温大気中では、その生成量はやはりＡｒ＞Ａｉｒ＞Ｎ２＞Ｏ２の順となる。 Here, it demonstrates concretely that the production amount of a hydrogen radical and a hydroxy radical changes with kinds of gas dissolved in aqueous solution. The collapse of microbubbles generated in an aqueous solution by ultrasonic irradiation can be regarded as an adiabatic compression change. In the case of adiabatic change, from Poisson's law: PVγ = constant (γ = Cp / Cv, γ: specific heat ratio, Cp: constant pressure specific heat, constant volume specific heat), from state 1 (P1, V1, T1) to state 2 (P2) , V2, T2), the relational expression of P2 / P1 = (V1 / V2) γ → T2 / T1 = (V1 / V2) γ-1 is substantially established. In the case of the adiabatic compression change, since (V1 / V2)> 1, the temperature T2 after the adiabatic compression change increases as the specific heat ratio γ of the gas dissolved in the aqueous solution increases. In other words, the greater the specific heat ratio γ of the gas dissolved in the aqueous solution, the greater the temperature rise of the aqueous solution due to the collapse of the microbubbles generated in the aqueous solution. The production amount will increase. Here, specific heat ratios of oxygen gas, nitrogen gas, air, and argon gas are oxygen gas (O 2 ) = 1.396, nitrogen gas (N 2 ) = 1.401, air (Air) = 1.417, respectively. Argon gas (Ar) = 1.670 (The Chemical Society of Japan, Chemistry Handbook Fundamentals II, 5th edition, page 242, Maruzen, issued in 2004). Therefore, when these dissolved gases are arranged in the order of the specific heat ratio γ, Ar>Air> N 2 > O 2 , and when the ultrasonic irradiation conditions other than the type of dissolved gas are exactly the same, hydrogen in an aqueous solution The amount of radicals and hydroxy radicals produced is in the above order. The amount of hydrogen radicals and hydroxy radicals produced in the aqueous solution is also affected by the amount of dissolved gas and its vapor pressure, but the amount produced is still Ar>Air> N 2 > O 2 in room temperature air. In order.
このように、水溶液中の溶存気体がアルゴンガスであれば、その比熱比が大気、窒素ガス、及び酸素ガスよりも高いため、これらの他の気体を使用した場合よりも超音波照射による水素ラジカル及びヒドロキシラジカルの生成量を増大させることができる。そのため、金属塩が溶解した水溶液にアルゴンガスを用いたバブリング等を行うことにより、超音波照射前に水溶液に溶存している酸素ガスや窒素ガス等をパージしておくことが好ましい。また、水溶液中に溶存する酸素ガス及び窒素ガスを不活性ガスであるアルゴンガスで予めパージしておくことにより、超音波照射によって水溶液中で硝酸や亜硝酸が生成して金属陽イオンと反応してしまうことを防止できる。なお、超音波照射によって水溶液中のアルゴンガス濃度は低下していくため、水溶液に超音波照射を行いながらアルゴンガスのバブリング等も行うことが好ましい。 Thus, if the dissolved gas in the aqueous solution is argon gas, the specific heat ratio is higher than that of air, nitrogen gas, and oxygen gas, so that hydrogen radicals by ultrasonic irradiation are higher than when these other gases are used. And the production amount of hydroxy radicals can be increased. Therefore, it is preferable to purge oxygen gas or nitrogen gas dissolved in the aqueous solution before ultrasonic irradiation by performing bubbling or the like using argon gas on the aqueous solution in which the metal salt is dissolved. Moreover, by purging oxygen gas and nitrogen gas dissolved in the aqueous solution in advance with argon gas, which is an inert gas, nitric acid and nitrous acid are generated in the aqueous solution by ultrasonic irradiation and react with the metal cation. Can be prevented. In addition, since the argon gas concentration in the aqueous solution is decreased by ultrasonic irradiation, it is preferable to perform bubbling of argon gas or the like while performing ultrasonic irradiation on the aqueous solution.
水溶液中のアルゴンガスの濃度は、特に限定されるものではないが、標準状態：ＳＴＰ（０℃、１０５Ｐａ）で１．２〜２．３ｍｍｏｌ／Ｌであることが好ましい。１．２ｍｍｏｌ／Ｌ以上であれば、水溶液中の溶存酸素ガス及び窒素ガスがほぼ完全にパージできるからである。また、水溶液中の溶存酸素ガス及び窒素ガスをパージする態様としては、アルゴンガスのバブリングを行うことが簡便で好ましい。また、水溶液中におけるアルゴンガスの溶解度を高めるため、アルゴンガスをバブリングする際に、水溶液を３０℃以下まで冷却することが好ましい。同様に、水溶液中におけるアルゴンガスの溶解度を高めるため、アルゴンガスをバブリングする際における雰囲気中のアルゴンガス分圧を、１．１ａｔｍ以上とすることが好ましい。さらに、一旦減圧により水溶液中の酸素ガスと窒素ガスの脱気を行った後に、アルゴンガスをバブリングすることが好適である。 Although the density | concentration of the argon gas in aqueous solution is not specifically limited, It is preferable that it is 1.2-2.3 mmol / L in standard state: STP (0 degreeC, 10 < 5 > Pa). This is because the dissolved oxygen gas and nitrogen gas in the aqueous solution can be purged almost completely when the concentration is 1.2 mmol / L or more. Further, as an aspect of purging the dissolved oxygen gas and nitrogen gas in the aqueous solution, bubbling argon gas is convenient and preferable. In order to increase the solubility of argon gas in the aqueous solution, the aqueous solution is preferably cooled to 30 ° C. or lower when bubbling the argon gas. Similarly, in order to increase the solubility of the argon gas in the aqueous solution, the argon gas partial pressure in the atmosphere when bubbling the argon gas is preferably set to 1.1 atm or more. Furthermore, it is preferable to bubble argon gas after degassing the oxygen gas and nitrogen gas in the aqueous solution once under reduced pressure.
上記の反応式１に示す水のラジカル化反応によって生成したヒドロキシラジカルは、反応性が極めて高いため、下記の反応式２に示すように過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に変化したり、下記の反応式３に示すようにアルコールの炭化水素部分から水素を奪取して炭化水素ラジカル（・Ｒ）を生成させたりする。
２（・ＯＨ） → Ｈ２Ｏ２ （反応式２）
Ｒ−Ｈ ＋ ・ＯＨ → ・Ｒ＋ Ｈ２Ｏ （反応式３）
The hydroxy radical generated by the water radicalization reaction shown in the above reaction formula 1 has extremely high reactivity, so that it changes to hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as shown in the following reaction formula 2 or As shown in Reaction Formula 3, hydrogen is taken from the hydrocarbon portion of the alcohol to generate hydrocarbon radicals (.R).
2 (.OH) → H 2 O 2 (Reaction Formula 2)
R−H + .OH → R + H 2 O (Scheme 3)
一方で、水のラジカル化反応によって生成した水素ラジカルは、水溶液中では電子供与体すなわち一種の還元剤として機能することができる。そして、水溶液中では金属塩がイオン化して金属原子が陽イオンとなっているため、水溶液中に溶存する水素ラジカルは、この金属陽イオンに電子を供与して金属陽イオンを還元し金属ナノ粒子として析出させる。金イオンＡｕ３＋が水素ラジカルから電子を供与されて金に還元される態様を下記の反応式４に示す。
Ａｕ３＋ ＋ ３（・Ｈ） → Ａｕ （反応式４）
On the other hand, hydrogen radicals generated by water radicalization reaction can function as an electron donor, that is, a kind of reducing agent in an aqueous solution. And since the metal salt is ionized in the aqueous solution and the metal atom becomes a cation, the hydrogen radical dissolved in the aqueous solution reduces the metal cation by donating an electron to the metal cation, thereby reducing the metal nanoparticles. To be precipitated. A mode in which the gold ion Au 3+ is reduced to gold by donating an electron from a hydrogen radical is shown in the following reaction formula 4.
Au 3+ + 3 (• H) → Au (Reaction formula 4)
また、水のラジカル化によって生成した水素ラジカルの一部は、下記反応式５に示すように、ヒドロキシルラジカルと結合して水に戻ってしまう。
・Ｈ ＋ ・ＯＨ → Ｈ２Ｏ （反応式５）
Moreover, as shown in the following reaction formula 5, a part of the hydrogen radical generated by the radicalization of water is combined with the hydroxyl radical and returned to water.
・ H + ・ OH → H 2 O (Reaction Formula 5)
また、水溶液中にアルコールが存在する場合は、反応式３に示すように、ヒドロキシルラジカルがアルコールの炭化水素部分から水素を奪取することに消費されるため、上記反応式５に示す水素ラジカルの消費が抑制される。 In addition, when alcohol is present in the aqueous solution, as shown in Reaction Formula 3, since hydroxyl radicals are consumed for depriving hydrogen from the hydrocarbon portion of the alcohol, consumption of hydrogen radicals shown in Reaction Formula 5 above. Is suppressed.
本発明では、水のラジカル化反応によって生成した水素ラジカルのみならず、上記の反応式３に示すアルコール由来の炭化水素ラジカルも水溶液中で電子供与体として機能して、金属陽イオンを還元する。本発明では、金属含有水溶液にアルコールを添加することにより、超音波照射によって水のラジカル化反応で生成したヒドロキシラジカルの一部がアルコール由来の炭化水素ラジカルを生じさせる。そして、上記の反応式３に示す炭化水素ラジカルが生成すると、水溶液中における金属陽イオンを還元する還元剤の濃度が高まることから、金属ナノ粒子の析出速度も高まり、その生産性が改善する。金イオンＡｕ３＋が炭化水素ラジカルから電子を供与されて金に還元される態様を下記の反応式６に示す。
Ａｕ３＋ ＋ ３（・Ｒ） → Ａｕ （反応式６）
In the present invention, not only hydrogen radicals generated by radicalization reaction of water but also alcohol radicals derived from alcohol shown in the above reaction formula 3 function as electron donors in an aqueous solution to reduce metal cations. In the present invention, by adding an alcohol to the metal-containing aqueous solution, a part of the hydroxy radical generated by the radicalization reaction of water by ultrasonic irradiation generates an alcohol-derived hydrocarbon radical. And when the hydrocarbon radical shown to said Reaction Formula 3 produces | generates, since the density | concentration of the reducing agent which reduces the metal cation in aqueous solution will increase, the precipitation rate of a metal nanoparticle will also increase and the productivity will improve. A mode in which the gold ion Au 3+ is reduced to gold by donating an electron from a hydrocarbon radical is shown in the following reaction formula 6.
Au 3+ + 3 (・ R) → Au (Reaction formula 6)
このように、金属陽イオンの溶存する水溶液にアルゴンガスを用いて溶存酸素ガス及び溶存窒素ガスをパージすることにより、溶存気体が比熱比の高いアルゴンガスで置換され、超音波照射によって発生したアルゴンガスの微小気泡の圧壊後の水溶液温度が高くなって水のラジカル化反応が生じ易くなる。さらに、この金属陽イオンの溶存する水溶液中にアルコールが存在することにより、水のラジカル化反応で生成したヒドロキシラジカルが速やかにアルコールの炭化水素部分の水素を奪取して炭化水素ラジカルを生成させる。そして、水のラジカル化反応で生成した水素ラジカル及び前記反応を経て生成した炭化水素ラジカルが共に、金属陽イオンに電子を供与して金属陽イオンを速やかに還元し、金属ナノ粒子を迅速、かつ、大量に析出させる。 In this way, by purging the dissolved oxygen gas and the dissolved nitrogen gas using an argon gas to the aqueous solution in which the metal cation is dissolved, the dissolved gas is replaced with an argon gas having a high specific heat ratio, and the argon generated by ultrasonic irradiation The aqueous solution temperature after the crushing of the gas microbubbles becomes high, and the radicalization reaction of water easily occurs. Furthermore, since the alcohol is present in the aqueous solution in which the metal cation is dissolved, the hydroxyl radical generated by the radicalization reaction of water quickly takes the hydrogen of the hydrocarbon portion of the alcohol and generates a hydrocarbon radical. Both the hydrogen radical generated by the water radicalization reaction and the hydrocarbon radical generated through the reaction donate electrons to the metal cation to quickly reduce the metal cation, and the metal nanoparticles are rapidly , Deposit in large quantities.
金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する水溶液を製造する手順としては、先ずは金属塩を水溶媒に溶解させて金属塩水溶液を作成し、次いでこの金属塩水溶液にアルゴンガスのバブリング等を行って水溶液中の酸素ガス及び窒素ガス等をパージすると共にアルゴンガスを水溶液に溶存させ、次いでこの水溶液にアルコールを添加することが好ましい。ただし、金属塩水溶液にアルコールを添加した後に、アルゴンガスを用いたバブリング等を行ってもよい。 As a procedure for producing an aqueous solution containing a metal salt, argon gas, and alcohol, first, an aqueous metal salt solution is prepared by dissolving the metal salt in an aqueous solvent, and then argon gas is bubbled into the aqueous metal salt solution. It is preferable to purge oxygen gas and nitrogen gas in the aqueous solution, dissolve argon gas in the aqueous solution, and then add alcohol to the aqueous solution. However, bubbling using argon gas or the like may be performed after adding alcohol to the metal salt aqueous solution.
金属塩は、金、銀、白金、又はパラジウム等の貴金属の金属塩が好ましい。例えば、金属塩としては、銅、鉄、コバルト、ニッケル、亜鉛、クロミウム、マンガン、マグネシウム、カドミウム、アルミニウム、錫、又はタングステンを含む金属塩、水溶液中でイオン（Ａｇ＋，Ａｇ（ＣＮ）２ −，ＡｌＣｌ４ −，Ａｕ３ ＋，ＡｕＣｌ４ −，ＡｕＢｒ４ −，ＰｔＣｌ６ ２−，Ｍｇ２＋，Ｍｎ２＋，Ｃｏ２＋，Ｎｉ２＋，Ｃｕ２＋，Ｚｎ２＋，Ｃｄ２＋，Ｆｅ３＋，Ａｌ３＋，Ｐｄ２＋，ＰｄＣｌ４ ２−，Ｓｎ２＋，ＳｎＯ３ ２−，Ｇａ３＋，ＷＯ４ ２−）となる金属塩、ＡｇＡｓＦ６，ＡｇＢＦ４，ＡｇＢｒ，ＡｇＣｌ，ＡｇＣｌＯ３，ＡｇＣｌＯ４，ＡｇＦ，ＡｇＦ２，ＡｇＦ６Ｐ，ＡｇＦ６Ｓｂ，ＡｇＩ，ＡｇＩＯ３，ＡｇＭｎＯ４，ＡｇＮＯ２，ＡｇＮＯ３，ＡｇＯ３Ｖ，ＡｇＯ４Ｒｅ，Ａｇ２ＣｒＯ４，Ａｇ２Ｏ，Ａｇ２Ｏ３Ｓ，Ａｇ２Ｏ４Ｓ，Ａｇ２Ｓ，Ａｇ２Ｓｅ，Ａｇ２Ｔｅ，Ａｇ３ＡｓＯ４，Ａｇ３ＡｓＯ４，Ａｇ３ＡｓＯ４，Ａｇ３Ｏ４Ｐ，Ａｇ８Ｏ１６Ｗ４，ＫＡｇ（ＣＮ）２，ＣＨ３ＣＯ２Ａｇ，ＡｇＣＮ，ＡｇＣＮＯ，ＡｇＣＮＳ，Ａｇ２ＣＯ３，ＡｌＣｌ３Ｏ１２，ＡｌＣｌ４Ｃｓ，ＡｌＣｌ４Ｋ，ＡｌＣｌ４Ｌｉ，ＡｌＣｌ４Ｎａ，ＡｌＣ１２Ｔｉ３，ＡｌＣｓＯ４Ｓｉ，ＡｌＣｓＯ６Ｓｉ２，ＡｌＣｓＯ８Ｓ２，ＡｌＦ４Ｋ，ＡｌＦ６Ｎａ３，ＡｌＫＯ８Ｓ２，ＡｌＬｉＯ２，ＡｌＮ３Ｏ９，ＡｌＯ４Ｐ，ＡｌＯ９Ｐ３，Ａｌ２ＢａＯ４，Ａｌ２ＭｇＯ４，Ａｌ２Ｏ５Ｔｉ，Ａｌ３Ｏ１２Ｓ３，Ａｌ６Ｂｉ２Ｏ１２，Ａｌ６Ｏ１３Ｓｉ２，Ｈ４ＡｌＬｉ，Ｈ４ＡｌＮＯ８Ｓ２，ＡｕＢｒ３，ＫＡｕＢｒ４，ＮａＡｕＢｒ４，ＡｕＣｌ３，ＫＡｕＣｌ４，ＮａＡｕＣｌ４，ＨＡｕＣｌ４，ＡｕＩ３，Ａｕ２Ｓ３，ＨＡｕＣｌ４Ｎ，ＡｕＣＮ，ＣｏＦ２，ＣｏＦ３，ＣｏＩ２，ＣｏＬｉＯ２，ＣｏＮ２Ｏ６，ＣｏＮ６Ｎａ３Ｏ１２，ＣｏＯ，ＣｏＯ４Ｓ，ＣｏＳｅ，Ｃｏ３Ｏ４，Ｃｏ３Ｏ８Ｐ２，Ｃｏ５Ｓｍ，Ｃｏ７Ｓｍ２，Ｈ８ＣｏＮ２Ｏ８Ｓ２，Ｈ１２ＣｏＮ９Ｏ９，Ｈ１５Ｃｌ３ＣｏＮ５，ＣｏＣＯ３、ＣｄＣｌ２，ＣｄＣｌ２Ｏ８，ＣｄＦ２，ＣｄＩ２，ＣｄＭｏＯ４，ＣｄＮ２Ｏ６，ＣｄＯ３Ｚｒ，ＣｄＯ４Ｓ，ＣｄＯ４Ｗ，ＣｕＦ２，ＣｕＩ，ＣｕＭｏＯ４，ＣｕＮ２Ｏ６，ＣｕＮｂ２Ｏ６，ＣｕＯ，ＣｕＯ３Ｓｅ，ＣｕＯ４Ｓ，ＣｕＯ４Ｗ，ＣｕＳ，ＣｕＳｅ，ＣｕＴｅ，Ｃｕ２ＨｇＩ４，Ｃｕ２Ｏ，Ｃｕ２Ｏ７Ｐ２，Ｃｕ２Ｓ，Ｃｕ２Ｓｅ，Ｃｕ２Ｔｅ，Ｈ８Ｃｌ４ＣｕＮ２，Ｈ１２ＣｕＮ４Ｏ４Ｓ，ＣｕＣＮ，ＣｕＣＮＳ、ＭｇＭｎ２Ｏ８，ＭｇＭｏＯ４，ＭｇＮ２Ｏ６，ＭｇＯ３Ｓ２，ＭｇＯ３Ｔｉ，ＭｇＯ３Ｚｒ，ＭｇＯ４Ｓ，ＭｇＯ４Ｗ，Ｍｇ２Ｏ７Ｐ２，Ｍｇ３Ｏ８Ｐ２，Ｈ４ＭｇＮＯ４Ｐ，ＭｎＭｏＯ４，ＭｎＮ２Ｏ６，ＭｎＮｏＯ４，ＭｎＯ４Ｓ，Ｈ４ＭｎＯ４Ｐ２，ＮｉＯ，ＮｉＯ３Ｔｉ，ＮｉＯ４Ｓ，Ｈ４Ｎ２ＮｉＯ６Ｓ２，Ｈ２ＰｔＣｌ６，Ｈ６Ｃｌ２Ｎ２Ｐｔ，Ｈ６Ｃｌ４Ｎ２Ｐｔ，Ｈ６Ｎ４Ｏ４Ｐｔ，Ｈ６Ｎａ２Ｏ６Ｐｔ，Ｈ８Ｂｒ６Ｎ２Ｐｔ，Ｈ８Ｃｌ４Ｎ２Ｐｔ，Ｈ８Ｃｌ６Ｎ２Ｐｔ，Ｈ８Ｏ６Ｐｔ，Ｈ１２Ｃｌ２Ｎ４Ｐｔ，Ｈ１２Ｃｌ４Ｎ４Ｐｔ２，Ｈ１２Ｎ６Ｏ６Ｐｔ，Ｈ１４Ｎ４Ｏ２Ｐｔ，Ｃ２Ｎ２Ｐｔ，Ｈ６Ｂｒ２Ｎ２Ｐｄ，Ｈ６Ｃｌ２Ｎ２Ｐｄ，Ｈ６Ｉ２Ｎ２Ｐｄ，Ｈ６Ｎ４Ｏ４Ｐｄ，Ｈ８Ｃｌ４Ｎ２Ｐｄ，Ｈ８Ｃｌ６Ｎ２Ｐｄ，Ｈ１２Ｂｒ２Ｎ４Ｐｄ，Ｈ１２Ｃｌ２Ｎ４Ｐｄ，Ｈ１２Ｃｌ４Ｎ４Ｐｄ２，Ｈ１２Ｎ６Ｏ６Ｐｄ，Ｃ２Ｎ２Ｐｄ，Ｐｄ（ＯＡｃ）２，Ｐｄ（ＮＯ３）２，Ｈ４ＦｅＮＯ８Ｓ２，Ｈ８ＦｅＮ２Ｏ８Ｓ２，ＦｅＣｌ３，Ｃ２Ｎ２Ｚｎ，Ｈ２ＳｎＯ３，Ｎａ２ＳｎＯ３，ＳｎＣｌ２２Ｈ２Ｏ，ＳｎＯ，ＳｎＳＯ４，ＳｎＯ２，ＧａＢｒ３，ＧａＣｌ３，ＧａＩ３，Ｇａ（ＮＯ３）３・Ｈ２Ｏ，Ｇａ（ＳＯ４）３・Ｈ２Ｏ，Ｇａ２（ＳＯ４）３，ＧａＡｓ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＳ，Ｇａ２Ｓ３，ＧａＳｅ，ＧａＳｅ，Ｇａ２Ｓｅ３，ＧａＴｅ，Ｇａ２Ｔｅ３，ＧａＯ２Ｈ，Ｈ２ＷＯ４，及びＰｄＣｌ２・２ＮａＣｌ・３Ｈ２Ｏ等が好適である。これらのうち、ＡｇＮＯ３，ＫＡｕＣｌ４，ＮａＡｕＣｌ４，ＨＡｕＣｌ４，Ｈ２ＰｔＣｌ６，Ｐｄ（ＯＡｃ）２，Ｐｄ（ＮＯ３）２，Ｇａ（ＮＯ３）３・Ｈ２Ｏ，及びＰｄＣｌ２・２ＮａＣｌ・３Ｈ２Ｏ等が特に好ましい。 The metal salt is preferably a metal salt of a noble metal such as gold, silver, platinum, or palladium. For example, as a metal salt, a metal salt containing copper, iron, cobalt, nickel, zinc, chromium, manganese, magnesium, cadmium, aluminum, tin, or tungsten, ions (Ag + , Ag (CN) 2 − in an aqueous solution) , AlCl 4 − , Au 3 + , AuCl 4 − , AuBr 4 − , PtCl 6 2− , Mg 2+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Fe 3+ , Al 3+ , Pd 2+ , PdCl 4 2− , Sn 2+ , SnO 3 2− , Ga 3+ , WO 4 2− ) metal salt, AgAsF 6 , AgBF 4 , AgBr, AgCl, AgClO 3 , AgClO 4 , AgF, AgF 2 AgF 2 6 P, AgF 6 Sb, AgI , AgIO 3, AgMnO 4, AgNO 2, AgNO 3 AgO 3 V, AgO 4 Re, Ag 2 CrO 4, Ag 2 O, Ag 2 O 3 S, Ag 2 O 4 S, Ag 2 S, Ag 2 Se, Ag 2 Te, Ag 3 AsO 4, Ag 3 AsO 4 , Ag 3 AsO 4 , Ag 3 O 4 P, Ag 8 O 16 W 4 , KAg (CN) 2 , CH 3 CO 2 Ag, AgCN, AgCNO, AgCNS, Ag 2 CO 3 , AlCl 3 O 12 , AlCl 4 Cs , AlCl 4 K, AlCl 4 Li, AlCl 4 Na, AlC 1 2 Ti 3 , AlCsO 4 Si, AlCsO 6 Si 2 , AlCsO 8 S 2 , AlF 4 K, AlF 6 Na 3 , AlKO 8 S 2 , AlLiO 2 3 O 9 , AlO 4 P, AlO 9 P 3 , Al 2 BaO 4 , Al 2 MgO 4 , Al 2 O 5 Ti, Al 3 O 12 S 3 , Al 6 Bi 2 O 12 , Al 6 O 13 Si 2 , H 4 AlLi, H 4 AlNO 8 S 2 , AuBr 3 , KAuBr 4 , NaAuBr 4 , AuCl 3 , KAuCl 4 , NauCl 4 , HAuCl 4 , HAuCl 4 AuI 3 , Au 2 S 3 , HAuCl 4 N, AuCN, CoF 2 , CoF 3 , CoI 2 , CoLiO 2 , CoN 2 O 6 , CoN 6 Na 3 O 12 , CoO, CoO 4 S, CoSe, Co 3 O 4 , Co 3 O 8 P 2 , Co 5 Sm, Co 7 Sm 2 , H 8 CoN 2 O 8 S 2 , H 12 CoN 9 O 9 , H 15 Cl 3 CoN 5 , CoCO 3 , CdCl 2 , CdCl 2 O 8 , CdF 2, CdI 2, CdMoO 4, CdN 2 O 6, CdO 3 Zr, CdO 4 S, CdO 4 W CuF 2, CuI, CuMoO 4, CuN 2 O 6, CuNb 2 O 6, CuO, CuO 3 Se, CuO 4 S, CuO 4 W, CuS, CuSe, CuTe, Cu 2 HgI 4, Cu 2 O, Cu 2 O 7 P 2 , Cu 2 S, Cu 2 Se, Cu 2 Te, H 8 Cl 4 CuN 2 , H 12 CuN 4 O 4 S, CuCN, CuCNS, MgMn 2 O 8 , MgMoO 4 , MgN 2 O 6 , MgO 3 S 2 , MgO 3 Ti, MgO 3 Zr, MgO 4 S, MgO 4 W, Mg 2 O 7 P 2 , Mg 3 O 8 P 2 , H 4 MgNO 4 P, MnMoO 4 , MnN 2 O 6 , MnNoO 4 , MnO 4 S, H 4 MnO 4 P 2 , NiO, NiO 3 Ti, NiO 4 S, H 4 N 2 NiO 6 S 2 , H 2 PtCl 6 , H 6 C l 2 N 2 Pt, H 6 Cl 4 N 2 Pt, H 6 N 4 O 4 Pt, H 6 Na 2 O 6 Pt, H 8 Br 6 N 2 Pt, H 8 Cl 4 N 2 Pt, H 8 Cl 6 N 2 Pt, H 8 O 6 Pt, H 12 Cl 2 N 4 Pt, H 12 Cl 4 N 4 Pt 2, H 12 N 6 O 6 Pt, H 14 N 4 O 2 Pt, C 2 N 2 Pt, H 6 Br 2 N 2 Pd, H 6 Cl 2 N 2 Pd, H 6 I 2 N 2 Pd, H 6 N 4 O 4 Pd, H 8 Cl 4 N 2 Pd, H 8 Cl 6 N 2 Pd, H 12 Br 2 N 4 Pd, H 12 Cl 2 N 4 Pd, H 12 Cl 4 N 4 Pd 2 , H 12 N 6 O 6 Pd, C 2 N 2 Pd, Pd (OAc) 2 , Pd (NO 3 ) 2 , H 4 FeNO 8 S 2 , H 8 FeN 2 O 8 S 2 , FeCl 3 , C 2 N 2 Zn, H 2 SnO 3 , Na 2 SnO 3 , SnCl 2 H 2 O, SnO, SnSO 4 , SnO 2 , GaBr 3 , GaCl 3 , GaI 3 , Ga (NO 3 ) 3 .H 2 O, Ga ( SO 4) 3 · H 2 O , Ga 2 (SO 4) 3, GaAs, GaN, GaP, GaS, Ga 2 S 3, GaSe, GaSe, Ga 2 Se 3, GaTe, Ga 2 Te 3, GaO 2 H, H 2 WO 4 , PdCl 2 .2NaCl.3H 2 O, and the like are preferable. Of these, AgNO 3 , KAuCl 4 , NaAuCl 4 , HAuCl 4 , H 2 PtCl 6 , Pd (OAc) 2 , Pd (NO 3 ) 2 , Ga (NO 3 ) 3 .H 2 O, and PdCl 2 .2NaCl · 3H 2 O are particularly preferred.
金属塩水溶液に添加するアルコールは、水と相溶性を示すものであれば、メタノール、エタノール、又はプロパノールに限らず、どのようなアルコールでもよい。しかし、エタノールとプロパノールの比較実験の結果では、プロパノールを使用した場合の方が金属陽イオンの還元反応の反応速度が早かったことから、水溶液に添加するアルコールとしては炭化水素部分の炭素数が大きいものが好ましいと考えられる。ただし、水との相溶性及び炭化水素ラジカルの反応性の高さを考慮すれば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、及びヘキサノールが適当である。 The alcohol added to the aqueous metal salt solution is not limited to methanol, ethanol, or propanol as long as it is compatible with water, and any alcohol may be used. However, as a result of comparative experiments between ethanol and propanol, the reaction rate of metal cation reduction reaction was faster when propanol was used, so the alcohol added to the aqueous solution has a larger number of carbons in the hydrocarbon portion. Are considered preferred. However, considering the compatibility with water and the high reactivity of hydrocarbon radicals, propanol, butanol, pentanol, and hexanol are suitable.
水溶液におけるアルコールの濃度は、０．５ｍｍｏｌ／Ｌ〜１０ｍｏｌ／Ｌ（０．５ｍＭ〜１０Ｍ）が好ましく、さらには１ｍｍｏｌ／Ｌ〜６．５ｍｏｌ／Ｌが好適である。０．５ｍｍｏｌ／Ｌ未満であれば、アルコールの濃度が低過ぎて、上記の反応式３に示す炭化水素ラジカルを生成する効果及び反応式５に示す水素ラジカルの消費を抑制する効果が殆ど得られない。また、水溶液中のアルコール濃度が０．５ｍｍｏｌ／Ｌ未満であれば、基材表面が超音波照射により生成したヒドロキシルラジカルによって酸化される恐れがある。一方で、水溶液のアルコール濃度が６．５ｍｏｌ／Ｌを超えるあたりから金属ナノ粒子の析出量が減少し始め、１０ｍｏｌ／Ｌを超えると、アルコールの濃度が高過ぎて、上記の反応式１の水のラジカル化反応の反応速度が著しく低下して金属ナノ粒子の析出が困難になる。 The concentration of alcohol in the aqueous solution is preferably 0.5 mmol / L to 10 mol / L (0.5 mM to 10 M), and more preferably 1 mmol / L to 6.5 mol / L. If it is less than 0.5 mmol / L, the alcohol concentration is too low, and the effect of generating hydrocarbon radicals shown in the above reaction formula 3 and the effect of suppressing the consumption of hydrogen radicals shown in the reaction formula 5 are almost obtained. Absent. Further, if the alcohol concentration in the aqueous solution is less than 0.5 mmol / L, the surface of the substrate may be oxidized by hydroxyl radicals generated by ultrasonic irradiation. On the other hand, when the alcohol concentration of the aqueous solution exceeds 6.5 mol / L, the precipitation amount of the metal nanoparticles starts to decrease, and when it exceeds 10 mol / L, the alcohol concentration is too high, and the water of the above reaction formula 1 As a result, the reaction rate of the radicalization reaction is remarkably lowered, making it difficult to deposit metal nanoparticles.
水溶液における金属塩の濃度は、０．５〜１０００ｍｍｏｌ／Ｌが好ましい。金属塩の濃度が０．５ｍｍｏｌ／Ｌ未満であれば、その濃度が低過ぎるため、従来技術と比較して金属ナノ粒子の生産性が十分改善されたとは言い難い。一方で、１０００ｍｍｏｌ／Ｌを超えると、金属塩の濃度が高すぎるため、粒子サイズにばらつきが生じるおそれがある。 The concentration of the metal salt in the aqueous solution is preferably 0.5 to 1000 mmol / L. If the concentration of the metal salt is less than 0.5 mmol / L, the concentration is too low, and it is difficult to say that the productivity of the metal nanoparticles is sufficiently improved as compared with the prior art. On the other hand, when it exceeds 1000 mmol / L, the concentration of the metal salt is too high, and there is a possibility that the particle size varies.
金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する水溶液に超音波照射を行う際の水溶液温度は、５〜４０℃が好ましい。水溶液の温度が５℃未満であれば、金属塩の溶解が不十分となり、金属ナノ粒子の生産性を改善することが難しくなる。一方で、４０℃を超えると、水溶液中のアルゴンガスとアルコールが脱気及び揮発し易くなるため、やはり金属ナノ粒子の生産性を改善することが難しくなる。 As for the aqueous solution temperature at the time of performing ultrasonic irradiation to the aqueous solution containing metal salt, argon gas, and alcohol, 5-40 degreeC is preferable. If the temperature of aqueous solution is less than 5 degreeC, melt | dissolution of a metal salt will become inadequate and it will become difficult to improve productivity of a metal nanoparticle. On the other hand, when it exceeds 40 ° C., the argon gas and alcohol in the aqueous solution are easily degassed and volatilized, so that it is difficult to improve the productivity of the metal nanoparticles.
金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する水溶液には、析出する金属ナノ粒子の凝集を防止するため、分散剤や保護剤を添加してもよい。分散剤としては、ポリビニルピロリドンが好ましい。保護剤としては、硫酸ドデシルナトリウムが好ましい。 A dispersant or a protective agent may be added to the aqueous solution containing the metal salt, argon gas, and alcohol in order to prevent aggregation of the precipitated metal nanoparticles. As the dispersant, polyvinyl pyrrolidone is preferable. As the protective agent, sodium dodecyl sulfate is preferable.
水溶液への超音波照射の条件は、周波数が０．１〜１０ＭＨｚ、出力が１０〜１０００Ｗであることが好ましい。周波数が０．１〜１０ＭＨｚであれば、水をラジカル化しやすいという利点がある。また、出力が１０〜１０００Ｗであれば、処理する時間を短縮できるという利点がある。 The conditions for ultrasonic irradiation of the aqueous solution are preferably a frequency of 0.1 to 10 MHz and an output of 10 to 1000 W. If the frequency is 0.1 to 10 MHz, there is an advantage that water is easily radicalized. Further, if the output is 10 to 1000 W, there is an advantage that the processing time can be shortened.
本発明の実施形態１で示した金属ナノ粒子の製造方法によれば、従来の製造方法で製造した金属ナノ粒子と比較して粒径のばらつき等の品質が同等以上である、平均粒径が数ｎｍから数十ｎｍの金属ナノ粒子の生産性を高めることができる。 According to the method for producing metal nanoparticles shown in the first embodiment of the present invention, the average particle size is equal to or higher than the quality such as the variation in particle size as compared with the metal nanoparticles produced by the conventional production method. Productivity of metal nanoparticles of several nm to several tens of nm can be increased.
（実施形態２）
実施形態２では、実施形態１の製造方法で得られた金属ナノ粒子を基材表面に付着させて金属ナノ粒子被覆基材を製造する方法を説明する。
(Embodiment 2)
In Embodiment 2, a method for producing a metal nanoparticle-coated substrate by attaching metal nanoparticles obtained by the production method of Embodiment 1 to the substrate surface will be described.
金属塩、アルゴンガス、及びアルコールを含有する水溶液に超音波照射を行う際に、水溶液中に基材を浸漬しておくことにより、超音波照射によって水溶液中に析出してくる金属ナノ粒子を基材表面に直接付着させることができる。この製造方法であれば、基材表面に金属ナノ粒子を付着させるための専用工程を設ける必要がなく、製造工程を簡略化できる。また、この製造方法によれば、金属ナノ粒子が水溶液中で堆積して凝集する前に基材表面に付着するため、金属ナノ粒子が基材表面に沿って配列して薄膜が形成された後に積層化が進行していくことから、ナノメートルオーダーの極めて薄く、かつ、均質な薄膜を基材上に容易に成形できる。また、この製造方法であれば、超音波照射時間等の変更により、金属ナノ粒子の付着量を容易に調整することができる。例えば、超音波照射時間を短くすれば、目的とする基材表面に金属ナノ粒子をまばらに担持させることができる。一方で、超音波照射時間を延長する又は超音波照射回数を増やすことで、金属ナノ粒子からなる薄膜を均等に、かつ、厚くすることが可能である。また、水溶液中のアルコール含有量を調整することにより、基材表面の酸化を抑制できるため、酸化され易い基材表面にも金属ナノ粒子を付着させることができる。例えば、基材表面が二価の鉄のように酸化される金属を含む場合、水溶液中のアルコール濃度は、鉄のモル濃度の３〜３０００倍であることが好ましい。水溶液中のアルコール濃度が鉄のモル濃度の３〜３０００倍であれば、基材表面の鉄の酸化を抑制しながら、基材表面に金属ナノ粒子を付着させることができる。また、この金属ナノ粒子被覆基材の製造方法であれば、金属ナノ粒子の凝集を防止するために水溶液に添加される分散剤や保護剤が本質的に必要ないことから、金属ナノ粒子からなる薄膜および基材の特性や品質を分散剤等によって劣化させることがない。 When ultrasonic irradiation is performed on an aqueous solution containing a metal salt, argon gas, and alcohol, the base material is immersed in the aqueous solution, thereby basing the metal nanoparticles precipitated in the aqueous solution by ultrasonic irradiation. It can be attached directly to the material surface. With this manufacturing method, there is no need to provide a dedicated process for attaching metal nanoparticles to the surface of the substrate, and the manufacturing process can be simplified. Further, according to this manufacturing method, since the metal nanoparticles are adhered to the substrate surface before being deposited and aggregated in the aqueous solution, after the metal nanoparticles are arranged along the substrate surface and a thin film is formed. Since lamination progresses, an extremely thin and homogeneous thin film of nanometer order can be easily formed on a substrate. Moreover, according to this manufacturing method, the adhesion amount of metal nanoparticles can be easily adjusted by changing the ultrasonic irradiation time or the like. For example, if the ultrasonic wave irradiation time is shortened, metal nanoparticles can be sparsely supported on the target substrate surface. On the other hand, by extending the ultrasonic irradiation time or increasing the number of ultrasonic irradiations, it is possible to uniformly and thicken the thin film made of metal nanoparticles. Moreover, since the oxidation of the substrate surface can be suppressed by adjusting the alcohol content in the aqueous solution, the metal nanoparticles can be adhered to the surface of the substrate that is easily oxidized. For example, when the substrate surface contains a metal that is oxidized like divalent iron, the alcohol concentration in the aqueous solution is preferably 3 to 3000 times the molar concentration of iron. When the alcohol concentration in the aqueous solution is 3 to 3000 times the molar concentration of iron, metal nanoparticles can be attached to the substrate surface while suppressing oxidation of iron on the substrate surface. Further, according to this method for producing a metal nanoparticle-coated substrate, a dispersant or a protective agent added to an aqueous solution for preventing aggregation of the metal nanoparticles is essentially unnecessary. The properties and quality of the thin film and the substrate are not deteriorated by a dispersant or the like.
基材の形状や材質は、特に限定されるものではない。実施形態２の製造方法では、水溶液中で析出した金属ナノ粒子と基材表面が直接接触できれば、基材表面に金属ナノ粒子からなる薄膜が形成されるため、基材の形状は板状、球状、又は粉末状等であってもよい。ただし、粉末状の基材を使用する場合は、粉末状基材が水溶液中で重なり合って金属ナノ粒子と接触できなくなることを防止するために、粉末状基材を水溶液中に撹拌する装置を設置することが好ましい。また、基材が低密度の粉末である場合は、基材が水溶液の水面に浮いてしまい、基材表面に金属ナノ粒子からなる薄膜が均一に形成されないおそれがある。そこで、基材が低密度の粉末である場合は、基材が水面に常時浮遊した状態にならないように、水面付近の水溶液を水溶液が入った容器の底面付近に噴射する循環ポンプを用いることが好ましい。また、基材の材質が金属、ガラス、又は樹脂であっても、これらの基材の表面に金属ナノ粒子を付着させることができる。 The shape and material of the substrate are not particularly limited. In the manufacturing method of Embodiment 2, if the metal nanoparticles precipitated in the aqueous solution and the substrate surface can be in direct contact with each other, a thin film composed of metal nanoparticles is formed on the substrate surface. Alternatively, it may be in powder form. However, when using a powdery base material, install a device to stir the powdery base material in the aqueous solution to prevent the powdery base material from overlapping with the aqueous solution and becoming unable to contact the metal nanoparticles. It is preferable to do. Moreover, when a base material is a low-density powder, a base material floats on the water surface of aqueous solution, and there exists a possibility that the thin film which consists of metal nanoparticles may not be formed uniformly on the base-material surface. Therefore, when the base material is a low-density powder, it is necessary to use a circulation pump that injects an aqueous solution near the water surface near the bottom surface of the container containing the aqueous solution so that the base material does not always float on the water surface. preferable. Moreover, even if the material of a base material is a metal, glass, or resin, a metal nanoparticle can be made to adhere to the surface of these base materials.
粉末状基材の種類としては、銅や銀等の金属粉末、合金粉末、又はＦｅＰＯ４、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ、Ｆｅ２Ｏ３、ＬｉＦｅＰＯ４、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、Ｌｉ３Ｖ２（ＰＯ４）３、Ｌｉ２ＦｅＳｉＯ４ 等の酸化物粉末等が挙げられる。また、粉末状基材の大きさは、平均粒径１０ｎｍ〜１０ｍｍが好ましい。 As a kind of powdery base material, metal powder such as copper or silver, alloy powder, or FePO 4 , FePO 4 .2H 2 O, Fe 2 O 3 , LiFePO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , Examples thereof include oxide powders such as Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and Li 2 FeSiO 4 . Moreover, as for the magnitude | size of a powdery base material, the average particle diameter of 10 nm-10 mm is preferable.
（実施例１）Ａｕナノ粒子の製造
平底フラスコに金属塩としてテトラクロロ金（III）酸水溶液（ＨＡｕＣｌ４・４Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製、０．１ｍＭ）を５０ｍｌ入れた。この水溶液に溶存している酸素ガスや窒素ガスを除去するために、水溶液中にＡｒガスを１００ｍｌ／ｍｉｎで３０分間流し、アルゴンガス置換を行った。アルゴンガス置換直後の溶存酸素が８４％減少しており、推測される水溶液中のアルゴンガスの濃度は標準状態：ＳＴＰ（０℃、１０５Ｐａ）で１．９ｍｍｏｌ／Ｌである。
その後、水溶液にアルコールとしてエタノールを１ｍＭ（ｍｍｏｌ／Ｌ）となるように添加した。平底フラスコを１０℃に設定した恒温槽に入れ、平底フラスコの下に超音波装置を置いて、２００ｋＨｚ、１０Ｗの条件で８分間、超音波を照射した。フラスコ内の色の変化を観察し、紫外可視分光光度計により、金ナノ粒子の生成を確認した。この紫外可視分光光度計の測定結果を図１に示す。また、得られた金ナノ粒子を走査型電子顕微鏡：ＳＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製、ＳＵ−７００）により観察した。このＳＥＭ写真を図２に示す。
(Example 1) tetrachloroaurate to manufacture flat-bottomed flask as the metal salt of Au nanoparticles (III) acid solution (HAuCl 4 · 4H 2 O, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 0.1 mM) was placed 50 ml. In order to remove oxygen gas and nitrogen gas dissolved in this aqueous solution, Ar gas was flowed into the aqueous solution at 100 ml / min for 30 minutes to perform argon gas replacement. The dissolved oxygen immediately after the replacement with argon gas is reduced by 84%, and the estimated concentration of argon gas in the aqueous solution is 1.9 mmol / L in the standard state: STP (0 ° C., 10 5 Pa).
Thereafter, ethanol as an alcohol was added to the aqueous solution so as to be 1 mM (mmol / L). The flat bottom flask was placed in a thermostat set at 10 ° C., an ultrasonic device was placed under the flat bottom flask, and ultrasonic waves were applied for 8 minutes under the conditions of 200 kHz and 10 W. The change in color in the flask was observed, and the formation of gold nanoparticles was confirmed with an ultraviolet-visible spectrophotometer. The measurement result of this ultraviolet visible spectrophotometer is shown in FIG. The obtained gold nanoparticles were observed with a scanning electron microscope: SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, SU-700). This SEM photograph is shown in FIG.
（実施例２）
水溶液に添加するアルコールをエタノールから２−プロパノールに変更した以外は、実施例１と同様にして金ナノ粒子を製造し、超音波照射後の水溶液を紫外可視分光光度計により測定した。この紫外可視分光光度計の測定結果を図１に示す。
(Example 2)
Gold nanoparticles were produced in the same manner as in Example 1 except that the alcohol added to the aqueous solution was changed from ethanol to 2-propanol, and the aqueous solution after ultrasonic irradiation was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer. The measurement result of this ultraviolet visible spectrophotometer is shown in FIG.
（比較例１）
水溶液にアルコールを添加しなかった以外は、実施例１と同様にして金ナノ粒子を製造し、超音波照射後の水溶液を紫外可視分光光度計により測定した。この紫外可視分光光度計の測定結果を図１に示す。
(Comparative Example 1)
Gold nanoparticles were produced in the same manner as in Example 1 except that no alcohol was added to the aqueous solution, and the aqueous solution after ultrasonic irradiation was measured with an ultraviolet-visible spectrophotometer. The measurement result of this ultraviolet visible spectrophotometer is shown in FIG.
〔実施例１、２及び比較例１の比較と考察〕
図２に示すＳＥＭ写真から、実施例１では直径５〜５０ｎｍ程度の金ナノ粒子が得られたことが分かった。また、図１では、波長２００ｎｍ付近のピークはテトラクロロ金（III）酸イオン（〔ＡｕＣｌ４〕−）による吸光を示し、波長５５０ｎｍ付近のピークは金（Ａｕ）による吸光を示す。図１に示す実施例１、２及び比較例１の紫外可視分光光度計の測定結果から、波長２００ｎｍ付近のピークの大きさは、比較例１（アルコールなし）＞実施例１（エタノール）＞実施例２（２−プロパノール）であり、一方で波長５５０ｎｍ付近のピークの大きさは、実施例２（２−プロパノール）＞実施例１（エタノール）＞比較例１（アルコールなし）であることが分かる。したがって、アルコールを添加しない場合に比べて、アルコールを添加した場合の方が〔ＡｕＣｌ４〕−のピークが下がり、かつ、Ａｕのピークが上昇することから、アルコールを添加することによって、水溶液中の金イオンの還元反応の反応速度が速くなり、金ナノ粒子の生産性が改善することが分かる。特に、実施例１（エタノール）と実施例２（２−プロパノール）との結果を比較すると、２−プロパノールの方がエタノールよりも金イオンの還元反応を促進できることが分かる。
[Comparison and Consideration of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1]
From the SEM photograph shown in FIG. 2, it was found that in Example 1, gold nanoparticles having a diameter of about 5 to 50 nm were obtained. In FIG. 1, the peak near the wavelength of 200 nm shows the absorption due to tetrachlorogold (III) ion ([AuCl 4 ] − ), and the peak near the wavelength of 550 nm shows the absorption due to gold (Au). From the measurement results of the UV-visible spectrophotometers of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 shown in FIG. 1, the peak size near the wavelength of 200 nm is as follows: Comparative Example 1 (no alcohol)> Example 1 (ethanol)> Implementation Example 2 (2-propanol), on the other hand, the peak size near the wavelength of 550 nm is found to be Example 2 (2-propanol)> Example 1 (ethanol)> Comparative Example 1 (no alcohol). . Therefore, compared to the case where no alcohol is added, the peak of [AuCl 4 ] − decreases and the peak of Au increases when alcohol is added. It can be seen that the reaction rate of the reduction reaction of gold ions is increased and the productivity of gold nanoparticles is improved. In particular, comparing the results of Example 1 (ethanol) and Example 2 (2-propanol), it can be seen that 2-propanol can promote the reduction reaction of gold ions more than ethanol.
（実施例３）Ｐｄナノ粒子の製造
平底フラスコに、金属塩として塩化パラジウム（II）水溶液（ＰｄＣｌ２・２ＮａＣｌ・３Ｈ２Ｏ、和光純薬工業社製、１ｍＭ）を５０ｍｌ入れた。この水溶液に溶存している酸素ガスや窒素ガスを除去するために、水溶液中にＡｒガスを１００ｍｌ／ｍｉｎで３０分間流し、アルゴンガス置換を行った。アルゴンガス置換直後の水溶液中のアルゴンガスの濃度は、標準状態：ＳＴＰ（０℃、１０５Ｐａ）で１．９ｍｍｏｌ／Ｌである。その後、水溶液にエタノールを１ｍＭとなるように添加した。平底フラスコを１０℃に設定した恒温槽に入れ、平底フラスコの下に超音波装置を置いて、２００ｋＨｚ、１０Ｗの条件で１２分間超音波を照射した。超音波の照射時間が０分、３分、５分、８分、１２分の各時間において、フラスコ内の色の変化を目視観察した。フラスコ内の色は、超音波照射前は薄い黄色であったが、３分間照射後は薄い茶色に、５分間照射後はこげ茶色になり、そして８分間及び１２分間照射後はほぼ黒色となった。
(Example 3) Production of Pd nanoparticles 50 ml of a palladium (II) chloride aqueous solution (PdCl 2 · 2NaCl · 3H 2 O, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., 1 mM) was placed as a metal salt in a flat bottom flask. In order to remove oxygen gas and nitrogen gas dissolved in this aqueous solution, Ar gas was flowed into the aqueous solution at 100 ml / min for 30 minutes to perform argon gas replacement. The concentration of argon gas in the aqueous solution immediately after replacement with argon gas is 1.9 mmol / L in the standard state: STP (0 ° C., 10 5 Pa). Then, ethanol was added to the aqueous solution so that it might become 1 mM. The flat bottom flask was placed in a thermostat set at 10 ° C., an ultrasonic device was placed under the flat bottom flask, and ultrasonic waves were irradiated for 12 minutes at 200 kHz and 10 W. The change in color in the flask was visually observed at each of the ultrasonic irradiation times of 0 minutes, 3 minutes, 5 minutes, 8 minutes, and 12 minutes. The color in the flask was pale yellow before ultrasonic irradiation, but became light brown after 3 minutes of irradiation, dark brown after 5 minutes of irradiation, and almost black after irradiation of 8 minutes and 12 minutes. It was.
また、上記の目視検査と共に、超音波の照射時間が０分、３分、５分、８分、１２分の各時間において、紫外可視分光光度計を用いて水溶液中におけるパラジウムナノ粒子の生成を確認した。この紫外可視分光光度計による測定結果を図３に示す。なお、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）における波長１９０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲を抜粋したものである。図３において、波長２００ｎｍ付近のピークは、塩化パラジウム（II）のイオン（〔ＰｄＣｌ３〕−）による吸光を示す。一方で、図３には、金属パラジウムによる吸光の明確なピークは現れていないが、金属パラジウムによる吸光は約３００〜７００ｎｍの波長範囲から確認できる。図３に示すように、波長２００ｎｍ付近のピークの大きさは、０分＞３分＞５分＞８分＞１２分の順できれいに並んでおり、超音波照射時間が長くなるほど小さくなっていくことが分かる。一方で、図３における波長２５０〜４００ｎｍの吸光の大きさは、０分＜３分＜５分＜８分＜１２分の順に並んでおり、超音波照射時間が長くなるほど大きくなっていくことが分かる。すなわち、図３から塩化パラジウム（II）、アルゴンガス、及びエタノールを含有する水溶液に超音波照射を行うと、超音波の照射時間に応じてパラジウムナノ粒子の生成量が増加することが分かる。 In addition to the visual inspection described above, the generation of palladium nanoparticles in an aqueous solution was performed using an ultraviolet-visible spectrophotometer at ultrasonic irradiation times of 0 minutes, 3 minutes, 5 minutes, 8 minutes, and 12 minutes. confirmed. The measurement result by this ultraviolet visible spectrophotometer is shown in FIG. 3B is an excerpt of the wavelength range of 190 nm to 500 nm in FIG. In FIG. 3, the peak near the wavelength of 200 nm indicates the absorption due to palladium chloride (II) ions ([PdCl 3 ] − ). On the other hand, although a clear peak of light absorption by metallic palladium does not appear in FIG. 3, light absorption by metallic palladium can be confirmed from a wavelength range of about 300 to 700 nm. As shown in FIG. 3, the sizes of the peaks near the wavelength of 200 nm are neatly arranged in the order of 0 minute> 3 minutes> 5 minutes> 8 minutes> 12 minutes, and become smaller as the ultrasonic irradiation time becomes longer. I understand that. On the other hand, the magnitude of absorption at a wavelength of 250 to 400 nm in FIG. 3 is arranged in the order of 0 minutes <3 minutes <5 minutes <8 minutes <12 minutes, and may increase as the ultrasonic irradiation time increases. I understand. That is, it can be seen from FIG. 3 that when an aqueous solution containing palladium (II) chloride, argon gas, and ethanol is subjected to ultrasonic irradiation, the amount of palladium nanoparticles generated increases according to the ultrasonic irradiation time.
また、超音波を１２分間照射した後の水溶液からパラジウムナノ粒子を採取してＳＥＭ（日立ハイテクノロジーズ社製、ＳＵ−７００）により観察した。このＳＥＭ写真を図４に示す。その結果、直径５〜１０ｎｍ程度のパラジウムナノ粒子が得られたことが分かった。 Further, palladium nanoparticles were collected from an aqueous solution after being irradiated with ultrasonic waves for 12 minutes and observed with an SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, SU-700). This SEM photograph is shown in FIG. As a result, it was found that palladium nanoparticles having a diameter of about 5 to 10 nm were obtained.
（実施例４）Ｐｄナノ粒子被覆粉末の製造
超音波照射前の塩化パラジウム（II）水溶液に、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末（平均粒径１００ｎｍ）を０．１ｇ添加した以外は、実施例３と同様にして（１２分間超音波照射）、パラジウムナノ粒子を生成すると共に、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末の表面にパラジウムナノ粒子を付着させた。塩化パラジウム（II）、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末、アルゴンガス、及びエタノールを含有する水溶液の色は、超音波照射前は白濁した茶色であったが、超音波を１２分間照射した後にはほぼ黒色となった。超音波照射前と１２分間照射後の粉末をろ過により採取した後、ＴＥＭ像の撮影と、ＸＲＤ測定を行った。このＴＥＭ写真を図５に、ＸＲＤ測定結果を図６に示す。
(Example 4) Production of Pd nanoparticle-coated powder Example 3 except that 0.1 g of FePO 4 .2H 2 O powder (average particle diameter 100 nm) was added to an aqueous palladium (II) chloride solution before ultrasonic irradiation. In the same manner as above (ultrasonic irradiation for 12 minutes), palladium nanoparticles were generated, and the palladium nanoparticles were attached to the surface of the FePO 4 .2H 2 O powder. The color of the aqueous solution containing palladium (II) chloride, FePO 4 .2H 2 O powder, argon gas, and ethanol was a cloudy brown color before ultrasonic irradiation, but was almost after irradiation with ultrasonic waves for 12 minutes. It became black. The powder after ultrasonic irradiation and after irradiation for 12 minutes was collected by filtration, and then a TEM image was taken and XRD measurement was performed. The TEM photograph is shown in FIG. 5, and the XRD measurement results are shown in FIG.
（実施例５）Ｐｄナノ粒子被覆粉末の製造（３層薄膜）
実施例４の超音波照射後のＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末０．１ｇに対して、実施例４のパラジウムナノ粒子を付着させる工程を更に２度繰り返し、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末の表面にパラジウムナノ粒子を計３回付着させた。得られたＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末についてＸＲＤ測定を行った。このＸＲＤ測定結果を図６に示す。
(Example 5) Production of Pd nanoparticle-coated powder (3-layer thin film)
The process of attaching the palladium nanoparticles of Example 4 to the FePO 4 · 2H 2 O powder 0.1 g after the ultrasonic irradiation of Example 4 was repeated twice more on the surface of the FePO 4 · 2H 2 O powder. Palladium nanoparticles were deposited a total of 3 times. XRD measurement was performed on the obtained FePO 4 .2H 2 O powder. The XRD measurement results are shown in FIG.
図６に示すＸＲＤ測定結果において、超音波照射前（未処理）にはＰｄのピーク（２θ＝約４０°、約４７°、約６８°）は現れていないが、超音波照射後はＰｄのピークが読み取れる。特に、実施例５のようにパラジウムナノ粒子の付着工程を３回繰り返すと、Ｐｄのピークが明確に読み取れるようになる。これは、パラジウムナノ粒子の付着工程を繰り返すことにより、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏ粉末表面に形成されるパラジウムナノ粒子からなる薄膜が厚くなったからであると考えられる。なお、ＦｅＰＯ４・２Ｈ２Ｏの鉄は三価である。 In the XRD measurement result shown in FIG. 6, the peak of Pd (2θ = about 40 °, about 47 °, about 68 °) does not appear before ultrasonic irradiation (untreated), but after ultrasonic irradiation, Pd Peaks can be read. In particular, when the deposition process of palladium nanoparticles is repeated three times as in Example 5, the peak of Pd can be clearly read. This is considered to be because the thin film made of palladium nanoparticles formed on the surface of the FePO 4 .2H 2 O powder was thickened by repeating the adhesion process of palladium nanoparticles. Note that the iron of FePO 4 .2H 2 O is trivalent.
（金属塩溶液中でのアルコールの機能：基材表面の酸化抑制機能）
本発明では、超音波を用いてＰｄ２＋又はＡｕ３＋等の金属イオンを含む金属塩溶液から前記金属イオンを還元して金属ナノ粒子を析出させ、析出した金属ナノ粒子を基材表面に付着させる。この基材が電極活物質等の電極構成材料である場合は、ＬｉＦｅＰＯ４やＬｉＣｏＯ２など酸化を嫌うものが多い。そのため、これらの材料は超音波の影響（生成したヒドロキシルラジカルや過酸化水素）で電極構成材料が酸化されると、その性能は著しく低下する。本発明では、超音波を用いた金属ナノ粒子の析出及び基材表面への金属ナノ粒子の付着の際に、金属塩溶液にアルコールを添加する。本発明者らは、超音波を用いた金属ナノ粒子の析出及び基材表面への金属ナノ粒子の付着の際に、金属塩溶液中のアルコールが基材表面の酸化又は還元に与える影響を調査した。具体的には、Ｆｅ２＋含有溶液及びＦｅ３＋含有溶液にそれぞれ超音波を照射して、これらの溶液中にアルコールが存在することにより、Ｆｅ２＋からＦｅ３＋への酸化及びＦｅ３＋からＦｅ２＋への還元にどのような影響が生じるかをＦｅ２＋濃度の定量分析により評価した。
(Function of alcohol in metal salt solution: Oxidation suppression function of substrate surface)
In the present invention, the metal ions are reduced by reducing the metal ions from a metal salt solution containing metal ions such as Pd 2+ or Au 3+ using ultrasonic waves, and the deposited metal nanoparticles are attached to the surface of the substrate. . When this base material is an electrode constituent material such as an electrode active material, many materials such as LiFePO 4 and LiCoO 2 hate oxidation. For this reason, when the electrode constituent material is oxidized by the influence of ultrasonic waves (generated hydroxyl radicals or hydrogen peroxide), the performance of these materials is significantly reduced. In the present invention, alcohol is added to the metal salt solution at the time of deposition of the metal nanoparticles using ultrasonic waves and adhesion of the metal nanoparticles to the substrate surface. The present inventors investigated the influence of alcohol in the metal salt solution on the oxidation or reduction of the substrate surface during the deposition of the metal nanoparticles using ultrasonic waves and the adhesion of the metal nanoparticles to the substrate surface. did. Specifically, the Fe 2+ containing solution and the Fe 3+ containing solution are each irradiated with ultrasonic waves, and the presence of alcohol in these solutions causes the oxidation of Fe 2+ to Fe 3+ and the change of Fe 3+ to Fe 2+ . The effect on the reduction of iron was evaluated by quantitative analysis of Fe 2+ concentration.
＜Ｆｅ３＋からＦｅ２＋への還元にアルコールが与える影響＞
Ｆｅ３＋濃度が１００ｐｐｍ（０．００１７９ｍｏｌ／Ｌ）のＦｅ３＋含有溶液を作成した。このＦｅ３＋含有溶液にアルゴンガスを３０分間バブリングして、この溶液中の溶存ガスをアルゴンガスでパージした。次いで、この溶液を３つのビーカーに５０ｍＬずつ採り分け、その中の一つのビーカーにはエタノールを２０ｍｍｏｌ添加してエタノール濃度４００ｍｍｏｌ／Ｌとし、もう一つのビーカーには２−プロパノールを２０ｍｍｏｌ添加して２−プロパノール濃度４００ｍｍｏｌ／Ｌとし、最後の一つのビーカーには何も添加しなかった（以下、「還元剤なし」と標記する）。このようにして作成した３つのビーカーに入った１００ｐｐｍのＦｅ３＋含有溶液にそれぞれ、超音波を１０℃で１２分間照射した。超音波照射後に、これらのＦｅ３＋含有溶液中のＦｅ２＋濃度を、紫外可視分光光度計を用いて定量した。その結果、エタノールを添加した場合のＦｅ２＋濃度は１．１９ｐｐｍであり、２−プロパノールを添加した場合のＦｅ２＋濃度は１．１０ｐｐｍであり、還元剤なしの場合のＦｅ２＋濃度は０．０９ｐｐｍであった。これらの定量分析結果を図７に示す。
<Effect of alcohol on reduction of Fe 3+ to Fe 2+ >
An Fe 3+ containing solution having an Fe 3+ concentration of 100 ppm (0.00179 mol / L) was prepared. Argon gas was bubbled through the Fe 3+ containing solution for 30 minutes, and dissolved gas in the solution was purged with argon gas. Next, 50 mL of this solution is taken into three beakers, 20 mmol of ethanol is added to one beaker to obtain an ethanol concentration of 400 mmol / L, and 20 mmol of 2-propanol is added to the other beaker. -Propanol concentration was 400 mmol / L, and nothing was added to the last one beaker (hereinafter referred to as "no reducing agent"). Each of the 100 ppm Fe 3+ containing solutions in the three beakers thus prepared was irradiated with ultrasonic waves at 10 ° C. for 12 minutes. After ultrasonic irradiation, the Fe 2+ concentration in these Fe 3+ containing solutions was quantified using an ultraviolet-visible spectrophotometer. As a result, the Fe 2+ concentration when ethanol was added was 1.19 ppm, the Fe 2+ concentration when 2-propanol was added was 1.10 ppm, and the Fe 2+ concentration without a reducing agent was 0.09 ppm. Met. These quantitative analysis results are shown in FIG.
＜Ｆｅ２＋からＦｅ３＋への酸化にアルコールが与える影響＞
ＦｅＳＯ４・７Ｈ２Ｏ（硫酸鉄（II）七水和物）を純水で希釈して、Ｆｅ２＋濃度が２１．３３ｐｐｍ（０．０００３６ｍｏｌ／Ｌ）のＦｅ２＋含有溶液を作成した。このＦｅ２＋含有溶液にアルゴンガスを３０分間バブリングして、この溶液中の溶存ガスをアルゴンガスでパージした。次いで、この溶液を３つのビーカーに５０ｍＬずつ採り分け、その中の一つのビーカーにはエタノールを２０ｍｍｏｌ添加してエタノール濃度４００ｍｍｏｌ／Ｌとし、もう一つのビーカーには２−プロパノールを２０ｍｍｏｌ添加して２−プロパノール濃度４００ｍｍｏｌ／Ｌとし、最後の一つのビーカーには何も添加しなかった（以下、「還元剤なし」と標記する）。このようにして作成した３つのビーカーに入った２０ｐｐｍのＦｅ２＋含有溶液にそれぞれ、超音波を１０℃で１２分間照射した。超音波照射後に、Ｆｅ２＋含有溶液中のＦｅ２＋濃度を、紫外可視分光光度計を用いて定量した。その結果、エタノールを添加した場合のＦｅ２＋濃度は２０．６１ｐｐｍであり、２−プロパノールを添加した場合のＦｅ２＋濃度は２０．４８ｐｐｍであり、還元剤なしの場合のＦｅ２＋濃度は１６．０９ｐｐｍであった。これらの定量分析結果を図８に示す。
<Effect of alcohol on oxidation of Fe 2+ to Fe 3+ >
FeSO 4 · 7H 2 O (iron (II) sulfate heptahydrate) was diluted with pure water to prepare a Fe 2+ -containing solution having a Fe 2+ concentration of 21.33 ppm (0.00036 mol / L). Argon gas was bubbled through the Fe 2+ containing solution for 30 minutes, and dissolved gas in the solution was purged with argon gas. Next, 50 mL of this solution is taken into three beakers, 20 mmol of ethanol is added to one beaker to obtain an ethanol concentration of 400 mmol / L, and 20 mmol of 2-propanol is added to the other beaker. -Propanol concentration was 400 mmol / L, and nothing was added to the last one beaker (hereinafter referred to as "no reducing agent"). The 20 ppm Fe 2+ -containing solutions in the three beakers thus prepared were each irradiated with ultrasonic waves at 10 ° C. for 12 minutes. After ultrasonic irradiation, the Fe 2+ concentration in the Fe 2+ -containing solution was quantified using an ultraviolet-visible spectrophotometer. As a result, Fe 2+ concentration when ethanol was added is 20.61ppm, 2- propanol Fe 2+ concentration when adding is 20.48Ppm, Fe 2+ concentration when no reducing agent 16.09ppm Met. The results of these quantitative analyzes are shown in FIG.
＜考察＞
図７から、Ｆｅ３＋濃度１００ｐｐｍのＦｅ３＋含有溶液にアルコールを添加することにより、Ｆｅ３＋含有溶液中のＦｅ２＋濃度が１ｐｐｍ程度上昇することが分かる。Ｆｅ３＋濃度が１００ｐｐｍであるのに対してアルコール添加によるＦｅ２＋濃度の上昇幅は１ｐｐｍ程度であるから、Ｆｅ３＋含有溶液にアルコールを添加しても、Ｆｅ３＋の１％程度が余分に還元されるに過ぎない。つまり、Ｆｅ３＋含有溶液にアルコールを添加しても、Ｆｅ３＋からＦｅ２＋への還元促進効果は１％程度と極めて小さいことから、アルコール添加による基材表面の還元という悪影響は小さいと言える。
<Discussion>
It can be seen from FIG. 7 that the addition of alcohol to the Fe 3+ containing solution with a Fe 3+ concentration of 100 ppm increases the Fe 2+ concentration in the Fe 3+ containing solution by about 1 ppm. While the Fe 3+ concentration is 100 ppm, the increase in the Fe 2+ concentration due to the addition of alcohol is about 1 ppm. Therefore, even if alcohol is added to the Fe 3+ containing solution, about 1% of Fe 3+ is reduced excessively. It is only That is, even when alcohol is added to the Fe 3+ containing solution, the reduction promoting effect from Fe 3+ to Fe 2+ is as small as about 1%, and therefore it can be said that the adverse effect of reduction of the substrate surface by addition of alcohol is small.
一方で、図８から、Ｆｅ２＋初期濃度２１．３３ｐｐｍのＦｅ２＋含有溶液にアルコールを添加した場合における超音波照射によるＦｅ２＋濃度の減少量は１ｐｐｍ未満であるのに対し、還元剤なしの場合における超音波照射によるＦｅ２＋濃度の減少量は５ｐｐｍを超えている。すなわち、図８から、Ｆｅ２＋含有溶液にアルコールを添加することにより、超音波照射によるＦｅ２＋からＦｅ３＋への酸化を１／５未満に抑制できることが分かる。換言すれば、Ｆｅ２＋初期濃度２１．３３ｐｐｍに対してアルコール添加によるＦｅ２＋濃度の減少量抑制幅は４ｐｐｍ以上であるから、Ｆｅ２＋含有溶液にアルコールを添加することにより、Ｆｅ２＋含有溶液中のＦｅ２＋の１／５程度が超音波照射による酸化を免れたことになる。つまり、Ｆｅ２＋含有溶液にアルコールを添加することにより、超音波照射によるＦｅ２＋からＦｅ３＋への酸化が１／５未満にまで抑制されることから、アルコール添加による基材表面の酸化抑制効果は極めて大きいと言える。この効果は、電極構成材料にとって非常に好ましい効果である。特に、金属塩溶液のアルコール濃度を４００ｍｍｏｌ／Ｌ以上とすれば、基材表面の酸化抑制効果をより大きくすることができる。このことから、金属及び金属の酸化物からなる基材に対しても、超音波照射による金属ナノ粒子生成過程における基材表面の酸化を抑制しながら、金属コーティングが行える。 On the other hand, from FIG. 8, when alcohol is added to a Fe 2+ containing solution with an Fe 2+ initial concentration of 21.33 ppm, the decrease in Fe 2+ concentration due to ultrasonic irradiation is less than 1 ppm, whereas there is no reducing agent. The amount of decrease in Fe 2+ concentration due to ultrasonic irradiation in is over 5 ppm. That is, it can be seen from FIG. 8 that by adding alcohol to the Fe 2+ -containing solution, oxidation from Fe 2+ to Fe 3+ by ultrasonic irradiation can be suppressed to less than 1/5. In other words, since decrease suppression width of Fe 2+ concentration by the alcohol added to the Fe 2+ initial concentration 21.33ppm is above 4 ppm, by adding an alcohol to Fe 2+ containing solution, the Fe 2+ containing solution About 1/5 of Fe 2+ escaped oxidation by ultrasonic irradiation. That is, by adding alcohol to the Fe 2+ -containing solution, the oxidation from Fe 2+ to Fe 3+ due to ultrasonic irradiation is suppressed to less than 1/5. It can be said that it is extremely large. This effect is a very favorable effect for the electrode constituent material. In particular, if the alcohol concentration of the metal salt solution is set to 400 mmol / L or more, the effect of suppressing the oxidation of the substrate surface can be further increased. From this, it is possible to perform metal coating on a substrate made of a metal and a metal oxide while suppressing oxidation of the substrate surface in the process of generating metal nanoparticles by ultrasonic irradiation.
このように、金属塩溶液にアルコールを添加した場合は、超音波照射による基材表面の還元をわずかに促進してしまうものの、超音波照射による基材表面の酸化を著しく抑制できる。すなわちアルコール添加量を調整することにより、金属ナノ粒子を生成させながら基材表面へ付着させる過程において、その基材表面の酸化を抑制することができる。そのため、本発明は、基材自体の酸化や基材表面の酸化を嫌う材料（Ｆｅ２＋，Ｃｏ２＋，Ｍｎ３＋，Ｖ３＋，Ｎｉ２＋等を含む化合物やＡｕ，Ｃｕなどの金属）に対しても適用できる。 Thus, when alcohol is added to the metal salt solution, although reduction of the substrate surface by ultrasonic irradiation is slightly promoted, oxidation of the substrate surface by ultrasonic irradiation can be remarkably suppressed. That is, by adjusting the amount of alcohol added, oxidation of the substrate surface can be suppressed in the process of adhering to the substrate surface while generating metal nanoparticles. Therefore, the present invention is directed to materials (a compound containing Fe 2+ , Co 2+ , Mn 3+ , V 3+ , Ni 2+, or a metal such as Au or Cu) that hate oxidation of the substrate itself or oxidation of the substrate surface. Is also applicable.
本発明は、様々な基材の表面に数ｎｍ以上の厚さの金属ナノ粒子からなる薄膜を簡便な手法により形成できる製造方法であるので、化粧用材料、電子回路基板、電極材料等の製造にも適用できる。 Since the present invention is a manufacturing method capable of forming thin films made of metal nanoparticles having a thickness of several nanometers or more on the surface of various base materials by a simple technique, manufacturing cosmetic materials, electronic circuit boards, electrode materials, etc. It can also be applied to.
Claims (2)
前記基材は、ＦｅＰＯ ４ 、ＦｅＰＯ ４ ・２Ｈ ２ Ｏ、Ｆｅ ２ Ｏ ３ 、ＬｉＦｅＰＯ ４ 、ＬｉＣｏＯ ２ 、ＬｉＭｎ ２ Ｏ ４ 、ＬｉＮｉＯ ２ 、Ｌｉ ３ Ｖ ２ （ＰＯ ４ ） ３ 、又はＬｉ ２ ＦｅＳｉＯ ４ の粉末であることを特徴とする金属ナノ粒子被覆基材の製造方法。 Metal salts, argon gas, A alcohol, and subjected to ultrasonic irradiation in a solution containing a base metal the base metal nanoparticles coated substrate Ru is adhered to the surface of precipitate as nanoparticles of the metal salt A manufacturing method of
The substrate is made of FePO 4 , FePO 4 .2H 2 O, Fe 2 O 3 , LiFePO 4 , LiCoO 2 , LiMn 2 O 4 , LiNiO 2 , Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 , or Li 2 FeSiO 4 . A method for producing a metal nanoparticle- coated substrate , which is a powder .
Priority Applications (1)
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| JP2014058798A JP6317606B2 (en) | 2014-03-20 | 2014-03-20 | Method for producing metal nanoparticle-coated substrate |
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