基於銀還原和咖啡酸氧化聚合製備啞鈴型雙面納米粒子的製作方法
2023-07-01 00:24:31
本發明屬於複合納米材料的合成領域，基於銀離子還原和咖啡酸氧化聚合反應，製得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子，製備條件溫和，簡單，未使用揮發性有機溶劑，作為新型的複合納米材料環境友好型製備方法，具有廣闊的應用前景。
背景技術：
納米技術是研究尺寸在1～100nm範圍內材料的特性和應用的一門技術。與組成的原子、分子及宏觀物質相比，納米尺度的材料具有獨特的電子、磁、光和催化性能，使其潛在應用迅速增長，引起了人們的廣泛關注。在三維空間中至少有一個維度處於納米尺寸範圍的材料即為納米材料，其製備、性能及應用研究是材料科學中一個十分重要的領域。由於金屬納米粒子在催化、電化學、可視化檢測和生物技術等方面有著廣泛的應用，一直是科研學者研究的熱點。
然而，貴金屬納米粒子的某些特性，如易聚集、分散性差等缺點也使其應用受到了限制。人們採取了很多方法，如用聚合物、生物大分子、二氧化矽和其他金屬修飾在其表面解決其穩定性和分散性差的問題。這些方法中，製備聚合物-貴金屬納米粒子複合材料尤其是雙面粒子，可以將有機的聚合物和無機的金屬納米粒子這兩種經典材料結合在一起，從而具有很大開發潛力。
雙面粒子是指一類各向異性的、兩個不同方向的表面具有不同物理或化學性質的或具有不同形狀微粒。與其他粒子相比，雙面粒子粒子表現出許多特殊的性能，例如：①易不對稱修飾；②兩粒子結合界面有強的吸附特性；③有特殊的聚集特性，極易進一步組裝成大的聚集體和新型功能材料。因此，它的出現引起了人們極大的興趣，在多方面具有廣泛的應用前景。目前，雙面納米粒子有蘑菇形、球形、柱形、碟形、雪人形、漢堡形、啞鈴形、半樹莓形等。已報導的大多數雙面粒子的尺度多在幾百納米到幾十微米，且這些方法多數步驟繁瑣或在合成過程中使用苯等有毒的有機溶劑，對於小粒徑(尤其是＜20nm)雙面納米粒子的合成、結構和性質的研究仍非常少。合成步驟繁瑣費時且影響因素過多則合成不易重複；粒子的粒徑大較大的影響了其小尺寸效應；使用有毒有機溶劑不符合綠色化學的理念，所以建立步驟簡單的綠色化學方法合成納米級小粒徑的共聚物-貴金屬雙面納米粒子具有很大的發展前景。
目前，基於銀離子還原和咖啡酸氧化聚合反應，製得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子未見報導。本發明建立了環境友好型不對稱聚合物-貴金屬雙面納米粒子的一步合成方法，該納米材料可以均勻分散在水溶液中，不發生聚集，材料的尺寸處於納米級別，且該納米材料的粒徑可以通過製備條件調節(如附圖1)，具有良好的小尺寸效應，為綠色化合成有機/無機複合型納米粒子提供了指導。
技術實現要素：
技術問題：合成啞鈴型聚合物-銀納米粒子常用到苯等有機溶劑；已報到的不對稱聚合物-銀納米粒子尺寸常處於亞微米級別，影響其小尺寸效應。
本發明針對傳統不對稱聚合物-銀複合納米粒子製備方法的缺陷，例如合成過程中環保程度低、尺寸大等，提出基於銀還原和咖啡酸氧化聚合製備性能優異的啞鈴型複合納米粒子，操作流程簡單，無需外部供能，不需使用有機溶劑，最後製備出穩定，分散性好，粒徑分布均勻的小尺寸複合納米粒子。
技術方案：
本發明的技術解決方案：
1、本發明基於銀還原和咖啡酸氧化聚合製備啞鈴型複合納米粒子的方法，包括如下步驟：
a、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的製備：將一定體積的濃度為5～20mmol/l硝酸銀溶液與適量體積的濃度為1～5mmol/l氫氧化鈉溶液進行混合，攪拌條件下加入濃度為5％～20％氨水溶液至反應體系變澄清；再向反應溶液中加入一定體積的10～100mmol/l檸檬酸三鈉溶液，適當時長的攪拌處理，後加入1～50μmol/l咖啡酸溶液一定量，持續攪拌條件下反應一定時間，最後得到亮黃色的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物。
b、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的純化：將步驟a得到的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物採用高速離心處理，沉澱用去離子水重新分散，後採用中等轉速離心處理；沉澱用去離子水重新分散，低溫避光保存，即得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子。
2、上述步驟a中，硝酸銀溶液的量控制在0.1～2ml，氫氧化鈉溶液的量控制在0.1～2ml，氨水的量控制在10～1000μl，檸檬酸三鈉溶液的量控制在10～1000μl，咖啡酸的量控制在0.1～2ml，反應時間為1～100min。
3、上述步驟b中，高速離心處理所採用的離心轉速為10000～13000rpm，中等轉速離心處理所採用的離心轉速為4000～8000rpm，離心時間為2～40min，避光保存於4℃冰箱中。
附圖說明
圖1是本發明製備的啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的電鏡圖((a)，(b)和(c)分別按照實施例1，2和3製備)。
圖2是本發明製備的啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的x射線電子能譜圖。
圖3是本發明製備的啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子(黑線)和咖啡酸(紅線)的紅外吸收光譜圖。
具體實施方案
製備實例
以下實施例為本發明的一些舉例，不應被看做是對本發明的限定。
實施例1
a、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的製備：將0.5ml，10mmol/l的硝酸銀溶液與0.6ml，2mmol/l的氫氧化鈉溶液混合併震搖，此時溶液體系出現混濁。然後將35μl，0.1mol/l的氨水溶液加入到混合體系中，溶液重新變澄清。隨後，向此溶液中加入35μl，1％的檸檬酸三鈉溶液，作為穩定納米粒子的穩定劑。一定時間後，加入0.7ml，50μmol/l的咖啡酸溶液並不斷攪拌，最後得到亮黃色的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物。
b、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的純化：將步驟a得到的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物採用高速離心(13000rpm)處理，沉澱用去離子水重新分散，後採用中等轉速離心(8000rpm)處理；沉澱用去離子水重新分散，低溫避光保存，即得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子。
實施例2
a、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的製備：將0.5ml，15mmol/l的硝酸銀溶液與0.6ml，2mmol/l的氫氧化鈉溶液混合併震搖，此時溶液體系出現混濁。然後將35μl，0.1mol/l的氨水溶液加入到混合體系中，溶液重新變澄清。隨後，向此溶液中加入35μl，1％的檸檬酸三鈉溶液，作為穩定納米粒子的穩定劑。一定時間後，加入0.7ml，50μmol/l的咖啡酸溶液並不斷攪拌，最後得到亮黃色的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物。
b、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的純化：將步驟a得到的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物採用高速離心(13000rpm)處理，沉澱用去離子水重新分散，後採用中等轉速離心(8000rpm)處理；沉澱用去離子水重新分散，低溫避光保存，即得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子。
實施例3
a、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的製備：將0.5ml，20mmol/l的硝酸銀溶液與0.6ml，2mmol/l的氫氧化鈉溶液混合併震搖，此時溶液體系出現混濁。然後將35μl，0.1mol/l的氨水溶液加入到混合體系中，溶液重新變澄清。隨後，向此溶液中加入35μl，1％的檸檬酸三鈉溶液，作為穩定納米粒子的穩定劑。一定時間後，加入0.7ml，50μmol/l的咖啡酸溶液並不斷攪拌，最後得到亮黃色的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物。
b、啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子的純化：將步驟a得到的不對稱聚合物-銀複合納米粒子膠體粒子粗產物採用高速離心(13000rpm)處理，沉澱用去離子水重新分散，後採用中等轉速離心(8000rpm)處理；沉澱用去離子水重新分散，低溫避光保存，即得啞鈴型聚合物-銀複合納米粒子。