一种Ag纳米粒子的制备方法与流程

本发明属于纳米材料制备技术领域，涉及一种ag纳米粒子的制备方法，尤其涉及一种利用液体阴极辉光放电等离子体技术由agno3溶液直接制备ag纳米粒子的方法。

背景技术：

银（ag）纳米材料因优异的催化、光学和电学性能，使其在表面增强拉曼光谱、发光与显示装置、高效催化剂、生物传感器、高性能电极材料等方面得到广泛应用。银纳米粒子的形貌、分布以及尺寸大小都会影响其性能，因此制备各种具有不同形状的银纳米粒子对其应用起关键作用，同时这也是近年来纳米材料研究的热点。

银纳米粒子的制备方法主要有：还原法、超声辅助法、溶胶-凝胶法、微波法、沉淀法、醇解法等。其中，还原法制备银纳米粒子是一种相对简单且有效的方法，包括化学还原法和电化学还原法，化学还原法一般采用简单而纯度较高的银盐，使用还原剂如硼氢化钠、甲醛、二甲基乙酰胺、柠檬酸盐等还原制备银纳米粒子，且制备银纳米粒子的过程中一般需加入稳定剂（pvp、ctab或者硅烷偶联剂等）以阻止纳米粒子的团聚，进而控制生成的微粒大小在纳米级。但化学还原法过程繁琐，且产生废液、废气，污染环境，增加成本，制成的银纳米粒子形貌不规则，粒径分布广。电化学法则是在温和的条件下，经强力电解作用来制备纳米材料，该方法具有设备简易、操作简单、条件温和等优点，不足之处是必须加入保护剂，不然很难形成银纳米粒子。例如廖学红等（高等学校化学学报，2000，21(12):1837-1839）利用电化学法，通过加入edta保护剂，在超声波作用下合成了不同尺寸的银纳米球和树枝状的银纳米粒子。该方法具有耗时短、步骤简单、无污染等优点。

随着人们环境保护意识的提高，研究方法简便、形貌可控、低能耗、低污染的银纳米粒子的绿色化学制备方法越来越引起重视。近年来，出现了一种液相隔膜等离子法制备银纳米粒子的方法，例如马得莉等以银片为阳极，不锈钢为阴极，电解液为na2so4溶液，在不断搅拌下，利用牺牲阳极的液体隔膜放电等离子体制备了银纳米粒子（一种利用液相隔膜放电等离子体制备银纳米粒子的方法，申请号201710829462.8）。

目前，液体阴极辉光放电等离子体多与光谱结合用于检测溶液中金属元素含量方面的报道较多(yuj,etal.spectrochimicaactapartb,2018,145:64-70;c.yang,etal.talanta,2016,155:314-320;张真,等.分析化学,2013,41(10):1606-1613)，然而，用这种技术制备纳米材料的研究国内外报道较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中ag纳米粒子制备过程复杂、生产成本偏高、污染环境等问题，提供一种简单、快捷、绿色合成ag纳米粒子的方法，即用液体阴极辉光放电等离子体法直接由ph=1的硝酸银溶液制备ag纳米粒子。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种ag纳米粒子的制备方法，采用液体阴极辉光放电等离子体发生装置，以高压直流电源提供电能，封存在石英管中的铂针为阳极，ph=1的agno3溶液在蠕动泵带动下流经缓冲瓶，从插入石墨碳棒的毛细管顶端溢出，以溢出的溶液作为放电阴极，当两极间施加足够高电压时，铂针阳极与毛细管之间溢出的液体产生辉光放电等离子体，利用液体阴极辉光放电等离子体产生的活性粒子与溶液中的ag⁺发生反应，制备出银纳米粒子。

该制备方法具体为：取图1所示的液体阴极辉光放电等离子体发生装置，该发生装置包括溶液池3、液体收集器9和三维移动平台15，液体收集器9底部通过输液管与产品池7连通；液体收集器9上安装有端盖10，端盖10上设有排气管11和石墨管12，石墨管12竖直设置，石墨管12和端盖之间有不连续的缝隙，石墨管12内设有毛细管8，毛细管8的顶端从石墨管12顶端伸出，毛细管8顶面与石墨管12顶面之间的距离为2～4mm，毛细管8下端通过蠕动泵胶管5与蠕动泵4连通，蠕动泵胶管5上设有容积为3～7ml的缓冲瓶6，蠕动泵4通过蠕动泵胶管2与溶液池3连通；石墨管12与直流稳压稳流电源1的负极连通；三维移动平台15上竖直安装有石英管16，石英管16内封存有铂针电极14，铂针电极14的两端均伸出石英管16外，其中一端朝向毛细管8，另一端与直流稳压稳流电源1的正极连通。铂针电极14的直径为0.3～0.7mm，铂针电极14朝向毛细管8的一端露出石英管16的长度为1mm，毛细管8的内径为0.5～1.2mm。

制备时，调节三维移动平台15，使铂针电极14下端与毛细管8顶端之间的距离为1～3mm；将ph值为1、摩尔体积浓度为0.05～0.15mol/l的硝酸银溶液注入溶液池3内，启动蠕动泵4，使溶液池3内的硝酸银溶液以1～6ml/min流速匀速进入毛细管8内，从毛细管8顶端溢出，并与铂针电极14的下端相接触；开启直流稳压稳流电源1，控制阴阳极间的电压为480～600v、电流为28～58ma；直流稳压稳流电源1、铂针电极14和石墨管12形成闭合回路；通电过程中，从毛细管8顶端溢出的溶液经放电后沿石墨管12外壁向下流动，并通过石墨管12与端盖10之间的不连续缝隙流入液体收集器9内，再进入产品池7内，持续通电3～5h后，得到黑色的浊液，将该浊液超声分散10～15min，以6000～10000r/min的转速离心分离，蒸馏水洗涤数次，以除去ag⁺，40～60℃下真空干燥至恒重，研磨，制得ag纳米粒子。

由于蠕动泵4本身的脉动，导致毛细管8溢出的溶液产生波动，造成产生的放电等离子体波动，缓冲瓶6不仅可以消除蠕动泵4给溶液造成的脉动，而且缓冲瓶6中的稳定气压也可辅助蠕动泵4对毛细管8匀速供液，达到提高放电稳定性的目的。毛细管8流出的多余液体充当导线实现与石墨管12的连接。

液体阴极辉光放电是一种新型的产生非平衡低温等离子体的方法。在制备过程中，石墨管与电源负极相连，毛细管嵌入石墨管中，pt针尖与电源正极相连，毛细管溢出液与pt针尖端接触，在大气压空气环境中，当两电极间施加一定的电压时，发出稳定的辉光，产生紫外光、冲击波、高能辐射以及高活性粒子如ho∙、h∙、o∙、ho2∙和h2o2。

纳米粒子的制备原理

1、电流-电压曲线

用北京大华无线电公司的dh1722a-6直流稳压稳流电源（电压0～1000v，电流0～500ma）对不同电压下的电流进行测定。图2是对ph值为1、摩尔体积浓度为0.05mol/l的agno3电解液进行电解时，通过调节不同电压，绘制的液体阴极辉光放电等离子体的电流-电压曲线图。由图2可知，整个放电过程分为4段：ab（0~200v）段，电流与电压基本呈线性关系，发生普通电解；bc（200~400v）段，随电压升高，电流波动下降；cd（400~470v）段，电流较为稳定，有不连续火花产生；de（大于480v以后）段，随电压的增大辉光逐渐增强。由于电压过高，能耗较大，且辉光太强对毛细管以及铂针电极损害过大。因此本发明制备方法选用电压为480～600v。由于制备ag纳米粒子的电压范围为480～600v，此范围产生稳定辉光，形成稳定的等离子体，因而通过电流-电压曲线说明本发明制备方法中的放电过程不是普通的电解过程，而是辉光放电过程。图2内插图为电压分别为480v、550v和600v时的辉光照片，随电压的增大，辉光增强，产生的等离子体体积越大，进一步说明采用本发明方法制备ag纳米粒子是在等离子体状态下的反应。

2、发射光谱分析

用八通道高分辨ccd光纤光谱仪（avaspec-uls2048，荷兰avaspec公司）测定液体阴极辉光放电的发射光谱，图3为600v电压下（实施例3）制备ag纳米粒子的ph值为1、摩尔体积浓度0.05mol/l的agno3溶液的发射光谱。波长为306.0～309.0nm的谱线为ho(a²ʃ⁺→x²π)((1,0)和(0.0))的跃迁谱带，486.1nm和656.3nm处为氢原子的hβ(4d²d→2p²p⁰)和hα(3d²d→2p²p⁰)谱线，716.1nm、763.5nm和845.6nm处为激发态o(3p⁵p→3s⁵s⁰)和(3p³p→3s³s⁰)原子的跃迁谱线。这是由于高能电子激发汽化的水分子产生大量ho·,h·,o·。589nm和589.9nm处为na的原子线，说明电解液中含有微量的na⁺。在327.9nm和338.3nm处产生的谱线对应于ag的原子发射谱线。以上结果表明，通过液体阴极辉光放电制备纳米ag的过程中，溶液中有ho·,h·,o·产生。结合电流电压曲线和发射光谱分析，提出液体阴极辉光放电等离子体制备ag纳米粒子的机理为：液体阴极辉光放电等离子体技术在外加电压作用下，首先使等离子体-溶液界面的h2o受高能电子(e*)的轰击，分解生成ho·，o·，h·，eaq⁻等，反应如下:

h2o+e*→h·+oh·+o·+h2o·+h2+o2+h2o2+eaq⁻+h3o⁺（1）

溶液中ag⁺存在时，可与h·或eaq⁻发生还原反应：

ag⁺+eaq⁻=ag（2）

ag⁺+h·=ag+h⁺（3）

通过控制放电电压，可以控制溶液中h·和eaq⁻的产生速度和浓度，从而推动（2）式和（3）式向右进行，进而控制ag纳米粒子的形貌。

本发明制备方法具有以下有益效果：

1.构建了等离子体-液体界面，在两电极间形成稳定的辉光放电等离子体来制备银纳米粒子，为制备过程提供了一个独特的条件。

2.具有条件温和（室温，无惰性气体保护，功耗低），设备简单，操作方便，过程可控（改变参数如电解液浓度、放电电压、放电时间等，可以获得不同粒径的ag纳米粒子），绿色环保等优点。

3.所用的化学试剂种类少，用量低，无二次污染，是一种环境友好的绿色制备技术。

4.产物杂质少、纯度高、分散性好，便于分离。

附图说明

图1是本发明制备方法中使用的液体阴极辉光放电等离子体发生装置的示意图。

图2是本发明液体阴极辉光放电等离子体的电流-电压曲线。

图3为600v下的发射光谱。

图4为不同电压下制备得到的ag纳米粒子的xrd图谱(a480v、28ma，b550v、32ma，c600v、58ma)。

图5为不同电压下制备得到的ag纳米棒的sem形貌(a480v、28ma，b550v、32ma，c600v、58ma)。

图6为550v电压条件下制得的ag纳米粒子的eds谱图。

图7为550v电压条件下制得的ag纳米粒子的紫外光谱图。

图1中：1.直流稳压稳流电源，2.第一蠕动泵胶管，3.溶液池，4.蠕动泵，5.第二蠕动泵胶管，6.缓冲瓶，7.产品池，8.毛细管，9.液体收集器，10.端盖，11.排气管，12.石墨管，13.溢出液体，14.铂针电极，15.三维移动平台，16.石英管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

使用图1所示的液体阴极辉光放电等离子体发生装置。调节三维移动平台15，使铂针电极14的下端与毛细管8顶端之间的距离为1mm；将ph=1、摩尔体积浓度为0.05mol/l的硝酸银溶液注入溶液池3内，启动蠕动泵4，使溶液池3内的硝酸银溶液以1ml/min流速匀速进入毛细管8内，从毛细管8顶端溢出，并与铂针电极14的下端相接触；开启直流稳压稳流电源1，控制阴阳极间的电压为480v、电流为28ma；直流稳压稳流电源1、铂针电极14和石墨管12形成闭合回路；通电过程中，从毛细管8顶端溢出的溶液经电解后沿石墨管12外壁向下流动，并通过石墨管12与端盖10之间的不连续缝隙流入液体收集器9内，再进入产品池7内，持续通电5h后，得到黑色的浊液，将该浊液超声分散10min，以10000r/min的转速离心分离，蒸馏水洗涤数次，以除去溶ag⁺，40℃温度下真空干燥至恒重，研磨，制得产物。

实施例2

取图1所示的液体阴极辉光放电等离子体发生装置。调节三维移动平台15，使铂针电极14的下端与毛细管8顶端之间的距离为2mm；将ph=1、摩尔体积浓度为0.10mol/l的硝酸银溶液注入溶液池3内，启动蠕动泵4，使溶液池3内的硝酸银溶液以3.5ml/min流速匀速进入毛细管8内，从毛细管8顶端溢出，并与铂针电极14的下端相接触；开启直流稳压稳流电源1，控制阴阳极间的电压为550v、电流为32ma；直流稳压稳流电源1、铂针电极14和石墨管12形成闭合回路；通电过程中，从毛细管8顶端溢出的溶液经电解后沿石墨管12外壁向下流动，并通过石墨管12与端盖10之间的不连续缝隙流入液体收集器9内，再进入产品池7内，持续通电4h后，得到黑色的浊液，将该浊液超声分散12min，以10000r/min的转速离心分离，蒸馏水洗涤数次，以除去溶ag⁺，60℃温度下真空干燥至恒重，研磨，制得产物。

实施例3

取图1所示的液体阴极辉光放电等离子体装置。调节三维移动平台15，使铂针电极14的下端与毛细管8顶端之间的距离为3mm；将ph=1、摩尔体积浓度为0.15mol/l的硝酸银溶液注入溶液池3内，启动蠕动泵4，使溶液池3内的硝酸银溶液以6ml/min流速匀速进入毛细管8内，从毛细管8顶端溢出，并与铂针电极14的下端相接触；开启直流稳压稳流电源1，控制阴阳极间的电压为600v、电流为58ma；直流稳压稳流电源1、铂针电极14和石墨管12形成闭合回路；通电过程中，从毛细管8顶端溢出的溶液经电解后沿石墨管12外壁向下流动，并通过石墨管12与端盖10之间的不连续缝隙流入液体收集器9内，再进入产品池7内，持续通电3h后，得到黑色的浊液，将该浊液超声分散15min，以6000r/min的转速离心分离，蒸馏水洗涤数次，以除去溶ag⁺，50℃温度下真空干燥至恒重，研磨，制得产物。

下面通过x射线粉末衍射（xrd）、扫描电镜(sem)、x射线能量色散谱（eds）和紫外光谱（uv-vis）对实施例中制得产物的结构和形貌进行表征。

1、xrd测试

用rigakud/max-2400型x-射线粉末衍射仪对实施例1～3中制得的产物进行测试。图4为不同放电电压下制得产物的xrd图谱（其中，a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3），由图4可以看出，在2θ=5～90°范围内有5个衍射峰，分别位于38.1°,44.2°,64.4°,77.3°,81.5°，经过与标准谱图jcpds(no.04-0783)卡片对照，发现所有衍射峰位和标准卡片峰位吻合较好，这5个衍射峰分别对应于面心立方晶系ag的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面的衍射。表明所制备的产物为立方结构的金属ag。从图4也可以看出，所有衍射峰都有非常明显的宽化，由于x射线衍射峰宽化是纳米粒子的特性之一，表明所制备的产物粒径小。由图4还可以看出，不同电压下制备得到的ag的衍射谱图中没有其他衍射峰产生，表明制备出了较高纯度的ag纳米粒子。依据debye-scherrer公式d=kλ/(βcosθ)(其中k=0.89，λ=0.1542nm，β为半宽度)，在主峰(111)处计算得到ag纳米粒子的晶粒尺寸为60.23nm(图4a),33.67nm(图4b)和47.62nm((图4c)。

2、扫描电镜测试

采用捷克fei公司的quanta2000型扫描电子显微镜（sem）对实施例1～3中制得的ag纳米粒子进行扫描，以观察样品的大小及形貌。观察前样品在60℃真空干燥后喷金。不同放电电压下样品的sem见图5（其中，a为实施例1，b为实施例2，c为实施例3），可以看出，制备得到的ag纳米粒子主要呈现棒状，纳米粒子团聚小，呈现纳米级，分布均匀。

3、x射线能量色散谱(eds)测试

用德国quanta型x射线能谱（eds)测试实施例2中制得的ag纳米粒子的成分，测试结果见图6。eds分析表明，样品中只有ag的特征峰，原子分数为84.07%，另外，eds分析中有15.93%元素为au，这是由喷金所致。说明采用本发明制备方法制备的黑色粉末状产物为纯ag。

4、uv-vis光谱测试

用uv757紫外-可见分光光度计(上海科恒)在200～800nm范围对ag纳米粒子进行紫外分析。图7为实施例2所制备样品的紫外光谱图。在480nm左右出现强吸收峰，另外，在268nm和300nm处出现2个肩峰，这与ag纳米粒子的紫外谱图一致，说明制备的颗粒为ag纳米粒子。