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納米銀的制備及應用研究進展

信息來源: http://www.ysabrasive.com  時間:2019-1-16 11:03:00 

1. 引言

銀(Ag)在貴金屬中,是一種儲量相對豐富、價格低廉且物理性能良好的金屬。銀具有很高的延展性、導電性和導熱性,在電子電器、感光材料、化工材料等領域有很廣泛的應用。隨著納米科技的不斷發展,納米銀良好的導電性能、導熱性能、抗菌性能、光學性能以及其他特殊性能也被廣泛的開發應用。目前,納米銀已被廣泛應用于催化材料、光學材料、生物醫療、新能源以及電子器件等領域。

2. 納米銀的制備

隨著納米技術的不斷發展,納米銀的合成方法也越來越多,按照納米銀的制備原理和方法不同可以分為物理方法、化學方法以及生物方法,如表1所示。

2.1. 物理方法

物理方法是應用從大到小,即自上而下(top-down)的物理手段將大塊材料的尺度納米化。常用方法有:真空冷凝法、磁控濺射、激光燒蝕等。

真空冷凝法是在惰性氣體或真空氛圍下,利用高溫(加熱、激光、蒸發等)使銀原料氣化或者形成等離子體,然后驟冷凝結得到納米銀粒子。真空冷凝法制備納米銀顆粒具有純度較高、結晶性好、粒徑可控等優點,但是其對設備要求較高,對制備條件的要求苛刻。Baker等 [1] 在惰性氣氛的條件下采用真空冷凝法制備出粒徑7~75 nm的納米銀,其粒徑分布較均勻,且接近球形(如圖1)。Gromov [2] 等通過控制銀的蒸發量,將納米銀的粒徑從7 nm增加到60 nm,說明納米銀的粒徑大小取決于冷凝物的量。

磁控濺射法是在惰性氣體的氣氛下,在銀靶材與惰性氣體間施加電壓,使惰性氣體發生電離,然后轟擊銀靶,進而激發銀靶制備出納米銀。采用磁控濺射的方法可以在基材表面直接制備納米銀涂層,磁控濺射制備的納米銀涂層具有與基材的結合力強、致密度高等優點,但是其產物粒徑分布不均勻。Zhao [3] 等采用磁控濺射的方法將納米銀嵌入到二氧化鈦中,其納米銀粒徑在16 nm左右,在表面增強拉曼和光催化方面具有顯著的性能。

激光燒蝕法要求高能脈沖激光瞬間將銀靶材加熱到氣化溫度以上,使銀靶表面溫度迅速升高,銀靶融化、蒸發,然后銀蒸氣冷卻得到納米銀。Boutinguiza [4] 等采用激光燒蝕的方法成功制備了粒徑小于50 nm且粒徑分布均勻的球形納米銀。激光燒蝕法制備的納米銀純凈且無化學污染并且生產周期短。

這些物理方法都是向塊體銀施加不同形式的能量如壓力、高溫、激光等,破壞原有的物質結構實現顆粒粒徑由大到小的轉變。通過調整工藝參數可以制備出不同粒徑的納米銀顆粒。物理方法工藝流程簡單且得到的納米銀純度較高,但是該方法對設備要求較高、生產成本高。

2.2. 化學方法

化學方法與物理方法剛好相反,是從小到大,即從下而上(bottom-up)的合成方法,通過在分子、原

Table 1. The main method for synthesis of nanosilver

表1. 制備納米銀的主要方法

Figure 1. TEM image of nanosilver prepared by inert gas condensation [1]

圖1. 惰性氣體冷凝法制備的納米銀的TEM圖像 [1]

子級別操控其生長過程制得納米材料 [5] 。常用的化學方法有:化學還原法 [6] 、微乳液法、電化學法等。

化學還原法是在液相條件下,將銀鹽前驅體、還原劑、溶劑、穩定劑在適當的條件下反應,還原出銀單質?;瘜W還原法具有設備工藝過程簡單、產率高等優點,因此該方法是合成納米銀最常用的方法之一。在化學還原法中,銀離子首先被還原成零價的銀原子,幾個原子形成原子簇,原子簇之間相互碰撞形成更大的聚集原子簇,當原子簇足夠大時形成穩定狀態,即晶核,晶核繼續長大就會形成納米顆粒。由于納米銀顆粒具有很大的比表面積和小尺寸效應,表面活性很高,極易出現團聚趨勢,于是納米銀的顆粒容易長大,穩定性下降。為了控制納米銀的穩定性,通常在反應過程中加入保護劑,使納米銀顆粒表面形成空間位阻或靜電斥力作用,阻止納米銀的進一步聚集?;瘜W還原法制備納米銀最常用的是Creighton法 [7] 和Lee-Meisel法 [8] 。Creighton法 [7] 采用硼氫化鈉(NaBH4)作為還原劑來還原硝酸銀,而Lee-Meisel法 [8] 則采用檸檬酸鈉還原硝酸銀來制備納米銀。由于硝酸銀的成本低,穩定性好,是制備納米銀最常用的銀源之一。制備納米銀常用的銀鹽前驅體、還原劑以及保護劑如表2所示。

化學還原法方法通過調控反應溫度、時間、溶劑、保護劑類型、還原劑用量等可以有效地控制納米銀的形貌及粒徑,從而得到純度高、分散性好的納米銀。但是通過化學方法制備的納米銀仍然存在很多問題,如產量低,使用的還原劑、保護劑對環境污染較嚴重等。

微乳液法是采用表面活性劑雙親分子(同時具有親水性和親油性能的分子)將互不相容的兩種溶劑混合在一起,形成無數個微小的空間,即微型反應容器。在微型反應容器中,銀鹽前驅體經過成核、團聚形成納米銀顆粒。微乳液法一般有O/W和W/O兩種類型,即油相分散到水相中的O/W型以及水相分散到油相中的W/O,通常采用W/O型微乳液法制備納米銀。Singha [9] 等采用琥珀酸二辛脂磺酸鈉(AOT)作為表面活性劑,正庚烷作為油相,通過W/O型微乳液法制備了粒徑分布較均勻的納米銀。微乳液法制

備納米銀具有裝置簡單、能耗低等優點,且能夠制備出具有優良單分散性的納米銀顆粒。

電化學法是指在一定的電勢下使銀離子獲得電子被還原成零價態的銀原子的方法。在電解液中加入穩定劑,當銀離子被電解還原成納米銀時,穩定劑將納米銀粒子包覆起來,從而形成穩定分散的納米銀顆粒。電化學法制備納米銀方法簡單、環保且無污染,但是能量消耗較大。Huang [10] 等在采用連續流速電解法制備納米銀時,發現通過控制溶液的流速可以控制納米銀的粒徑大小,同時通過對電極的交替控制,在實驗室條件下實現了納米銀的批量合成(如圖2)。

2.3. 生物方法

近年來,隨著對納米銀研究的不斷深入,其合成方法也迅速發展,生物方法與物理方法、化學方法相比,具有生產成本低、綠色環保等優點。采用生物方法制備納米銀的反應條件溫和,反應過程不需要任何添加劑,且能夠充分利用生物資源,達到可持續發展的目的。目前采用生物方法制備納米銀主要分為微生物還原法和植物體還原法兩類。

1) 微生物還原法

Table 2. Silver salt precursors, reducing agents, and protective agents commonly used in the preparation of nanosilver by chemical reduction [6]

表2. 化學還原法制備納米銀常用的銀鹽前驅體、還原劑、保護劑 [6]

Figure 2. The TEM image of nanosilver prepared by multielectrode electrolysis [10]

圖2. 多電極電解法制備的納米銀TEM圖像 [10]

微生物還原法主要是利用微生物細胞表面的官能團把Ag+還原成納米銀,或者在細菌、真菌產生的酶的催化作用下,把Ag+還原成納米銀。洪露薇等采用畢赤酵母菌提取液和銀氨溶液反應合成納米銀,在pH為6.25時,納米銀粒徑為11.2 ± 6.4 nm,粒徑分布較寬;在pH為4.00時,反應速率緩慢,而且制備的納米銀形狀不均一;而當pH在9.00~12.50時,隨著pH值的升高,反應速率加快,納米銀的粒徑分布變窄;而當pH達到12.8時,反應速率較快,但形成的納米銀穩定性不高,且容易團聚沉淀。Mukherjee [11] 等將含有1 mM AgNO3的木霉菌的無細胞透明濾液在25℃下溫育,發現濾液在5天內逐漸變暗,Ramam光譜顯示在410 nm左右存在納米銀的等離子體特征峰,TEM和XRD顯示納米銀的粒徑在13~18 nm。

2) 植物體還原法

植物體還原通常是采用植物體或植物浸取液來制備納米銀,植物體中的生物大分子含有很多特定的官能團如糖類、蛋白質中的羥基(-OH)、氨基(-NH2)以及羧基(-COOH)等,這些官能團對納米銀進行吸附絡合,同時通過具有還原性的組分如葡萄糖等將Ag+還原成納米銀。S. Ashokkumar [12] 等采用嘉蘭花的提取液制備出粒徑可控的納米銀。

雖然生物方法制備納米銀具有條件溫和、無添加劑、環保等優點,但是其反應時間較長、產率低等問題限制了其在大規模生產中的應用。

3. 納米銀的應用

3.1. 納米銀在生物醫療領域的應用

金屬銀的抗菌性能很早之前就被人們發現,并被用于盛放食物和水的容器、醫藥等方面。銀和銀離子作為一種廣譜抗菌劑具有優良的抑菌抗菌作用 [13] [14] 。隨著納米技術的發展,納米銀抗菌性能的應用更加廣泛,優勢也日漸凸顯。由于納米銀具有小尺寸效應,其抗菌性能是銀的幾倍甚至幾十倍。另外,納米銀與其他抗生素藥劑的最大區別是不會產生耐藥性 [15] 。納米銀在抗菌方面的應用主要有:1) 抗菌纖維、抗菌敷料、抗菌織物;2) 醫用抗菌器械(如手術刀、鑷子、夾子等),降低感染幾率;3) 具有抗菌性能的食品包裝材料。

另外,Pickup [16] 等還探索了使用銀納米顆粒作為載體來向特定靶遞送各種有效載荷(如小藥物分子或大生物分子),一旦納米銀有足夠的時間到達其目標,有效載荷的釋放可以由內部或外部刺激觸發。納米顆??梢栽谔囟ò形稽c提高有效負載濃度,并且可以使副作用最小化。

3.2. 納米銀在光學領域的應用

納米技術的最新進展已經允許開發強有力、高靈敏度和選擇性的檢測方法以解決常規檢測技術的一些缺陷。與金相比,銀具有較高的消光系數、較尖銳的消光帶、較高的散射消光比以及極高的場增強效應等優點,因此,越來越多的研究人員開始探索納米銀顆粒在光學傳感器和醫學成像標簽等方面的應用 [17] 。納米銀在可見光到近紅外區域能形成較強的表面等離子體共振,利用納米銀的表面等離子體共振效應,為傳感和成像應用打開了新方法的大門,提供了更廣泛的檢測模式,如:比色、散射、表面增強拉曼光譜、金屬增強熒光等。

納米銀顆粒的表面等離子體共振特性可以很大程度增強顆粒表面的局部電場,進而可以將較弱的醫學檢測信號(如癌變細胞)增強,易于檢測早期數量較少的癌變細胞等。納米銀團簇具有很好的熒光特性,利用納米銀團簇的熒光特性,可以進一步拓展納米銀在光學領域的應用。呂璞 [18] 等以大腸桿菌和志賀氏菌為研究對象,將其和納米銀顆?;旌现破?,然后利用表面增強拉曼效應進行檢測,結果表明,未與納米銀顆?;旌系拇竽c桿菌和志賀氏菌沒有明顯的拉曼信號,而與納米銀顆?;旌虾笥忻黠@的拉曼信號(如圖3所示),二者有明顯的區別。Guerrini [19] 等采用紫羅堿二陽離子(VGD)將銀納米顆粒官能化,并且研

Figure 3. Raman spectroscopy of nano silver mixed with two kinds of bacteria and comparative experiment [18]

圖3. 納米銀和兩種菌混合后及空白實驗的拉曼光譜 [18]

究了其在多環芳烴表面的拉曼增強效應,研究表明,納米銀表面增強拉曼技術可以應用于污染物的檢測。

3.3. 納米銀在催化領域的應用

近年來,隨著納米銀催化劑研究的深入,納米銀的催化性能得到了人們的廣泛關注。納米銀具有尺寸小、比表面積大、表面活性位點多且表面電子活躍等特點,使得納米銀及其復合材料成為多種反應的催化劑。

Ameen [20] 等將納米銀顆粒嵌入SiO2氣凝膠中,得到了較高數目的活性位點,當銀在氣凝膠中的重量百分比很低時(1%),能觀察到納米銀氣凝膠將苯氧化為苯酚的選擇性最高。這種更好的選擇性被認為是1% Ag在氣凝膠中有較高的單分散性的結果。Liu [21] 等的研究表面,Au-Ag合金納米顆粒對一氧化碳的氧化具有協同效應,與單一的金屬納米顆粒相比,具有更高的催化活性;另外,合金顆粒的尺寸對催化性能的影響不大。

3.4. 納米銀在電子器件領域的應用

透明導電薄膜(Transparent Conductive Film,簡稱TCF)在顯示設備、觸摸傳感器、太陽能電池、有機光伏器件和發光二極管中的應用越來越廣泛。氧化銦錫(ITO)具有出色的光電性能,但是它的脆性阻礙了其在柔性和可拉伸設備的發展。柔性電子產品可廣泛應用在未來電子產業中,包括柔性顯示器件 [22] 、柔性光電器件 [23] 等。將納米銀作為導電材料分散到合適的溶劑中,然后采用印刷或涂布的方法將導電納米銀印制在柔性基材上,從而在柔性基材上構建電子線路,如圖4所示。其應用范圍包括柔性傳感器、柔性顯示器和柔性太陽能電池等。

4. 結論與展望

本文介紹了納米銀的性質,比較了三種不同的納米銀的制備方法的優缺點:物理方法工藝流程簡單且制得的納米銀純度較高,但是設備要求高、成本高;化學方法具有形貌及粒徑可控的優點,但是產量低,使用的還原劑、保護劑等對環境污染較嚴重。生物方法制備納米銀具有條件溫和、無添加劑、環保等優點,但其反應時間較長、產率低。

Figure 4. Application of nanosilver in conductive field

圖4. 納米銀在導電領域的應用

納米銀良好的導電性能、導熱性能、抗菌性能、光學性能以及其他特殊性能使得其在生物醫療領域、光學領域、催化領域、電子器件領域的有著越來越多的應用,未來納米銀與其他金屬形成的雙金屬納米材料將是納米銀的一個發展方向。

基金項目

國家自然科學基金(No. 61764010)。

參考文獻

文章引用: 
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