纳米粒子是不可或缺的组件在各种各样的应用程序,包括医药、半导体、催化、能量。他们被定义为颗粒大小在1 - 1000纳米之间。在规模较小的尺度上,粒子可以比大部分同行表现不同。例如,随着颗粒变小,其表面积大大增加。这允许属性,如电气和热导率的增加,降低熔点,强磁性或独特的光学性质产生[1]。先进材料的开发,持续利用材料在这个大小提供了丰富的机会在清洁能源等领域,催化和传感器等等。
纳米颗粒的应用是什么?
目前纳米粒子存在于各种各样的消费品。万博manbetx主页他们可以应用作为填充剂或防紫外线涂层,这是很重要的在windows中,镜头和防晒霜[2]。已知抗菌性能的材料,如银和铜可以合并为纳米粒子保持包装食品的新鲜或减少袜子的气味。在医学上,金纳米粒子已经广泛研究靶向型药物作为一个潜在的代理和癌症检测[3]。反应催化,纳米粒子效果比散装材料主要是由巨大的表面积增加,粒径减小。这导致更有效的应用的催化剂材料[4]。等离子领域,纳米颗粒通常利用他们独特的光学特性称为表面等离子体可用于增强拉曼光谱的检测通常称为表面增强拉曼光谱(ser)。
纳米粒子是怎么做成的呢?
纳米颗粒通常从一个自顶向下或自底向上方法合成。自底向上方法依赖于成核atomic-sized材料到最终的纳米颗粒。而具体的合成方法取决于物质产生,一些常见的方法包括Turkevich方法减少(柠檬酸),气相合成、嵌段共聚物的合成,以及最近、微生物合成(1、5、6)。自顶向下的方法,大部分材料物理分解,使小分子,包括铣削、激光消融,引发消融。
自底向上的合成方法通常被称为“湿”方法,因为它们涉及批次的溶剂和其他化学物质。此外,粒子通常必须稳定或限制解决方案,以确保他们不继续增长过去的纳米级范围。然后粒子通常需要移动或从他们的解决方案应用程序或描述。这可以通过drop-casting解决方案感兴趣的衬底上。然而,在某些应用程序中,如催化、也有必要把稳定剂从纳米粒子表面的固定化后的最终利益的支持。删除过程可以证明很困难甚至不可能,导致这些粒子是无法到达其目的(见例如[7])。
胶体纳米颗粒的合成
纳米颗粒通常使用湿化学方法合成,包括第一次生成解决方案中的粒子,降低铸造湿粒子在衬底,并除去溶剂、表面活性剂和其他材料的粒子。这潮湿的合成方法需要大量的时间和化学物质,和合成材料可能含有残留的解决方案。
火花消融纳米颗粒的合成
一个有前途的替代湿法合成是引发消融。火花消融利用两个电极金属(s)的选择和应用快速(1 - 10μs)高压火花到两个电极。火花产生气溶胶的纯从两个熔化的金属粒子,然后转移到下游底物。生成的纳米粒子是由纯金属,如干燥或表面活性剂和后处理步骤分解是必需的。因此引发消融是一种更安全、更环保、更经济的方法生产高质量的生产级纳米颗粒研究或。
火花消融是如何工作的
消融需要火花放电火花发生器,具有以下基本部分:
- 金属电极的选择
- 载气入口
- 衬底为粒子集合
- 电压源
- 活性气体入口(可选)
的VSParticle VSP-G1系统就是这样的一个商业系统,包含上述所有部分允许招牌式火花烧蚀实验。
火花放电的电气元件发生器包括电压源、电阻、电容和电感。火花放电生成器的一般电路图如图5所示。火花是调制的频率(f)根据方程:
我是当前,C是电容,Ū平均电压。[8]
最终电压,电容器放电,导致高温火花(> 20000 K),切除的金属电极。载气然后研究员粒子转移到衬底的选择。一些潜在的衬底选项包括TEM网格、电极和金属网格。
控制关键粒子的参数,如大小、分布、浓度、和覆盖范围,是由气体流量、电压、电流、和时间。气体流量是主控制器的粒子特性的关键。它影响多大,集中粒子成为下游,之前更快的速度将降低粒子聚合的能力,因此导致更小的微粒与一个更小的粒度分布。更高的流速也增加下游底物浓度和覆盖范围。
最终电压,电容器放电,导致高温火花(> 20000 K),切除的金属电极。载气然后研究员粒子转移到衬底的选择。一些潜在的衬底选项包括TEM网格、电极和金属网格。
电压和电流都影响粒度相似,要么增加参数生成更大的粒子。更高的价值往往会产生更频繁的火花,从多电极烧蚀材料,产生越来越多的粒子。这些参数也会增加粒子大小分布。最后,系统操作的时间只会影响下游底物覆盖率达到多少。表1总结了这些参数如何影响粒子的属性生成。图6还提供了一个图形说明这些相关性。
| 这个参数的增加 | 以这种方式影响纳米颗粒 | |||
|---|---|---|---|---|
| 颗粒大小 | 侧分布 | 粒子浓度 | 样本覆盖 | |
| 气体流速 | ↓ | ↓ | ↑ | ↑ |
| 电压 | ↑ | ↑ | ↑ | 没有影响 |
| 当前的 | ↑ | ↑ | ↑ | 没有影响 |
| 时间 | 没有影响 | 没有影响 | 没有影响 | ↑ |
气体流动有两个主要的配置——交叉流动,流过。流动通过配置需要空心电极允许气体通过电极和最终的衬底。交叉流气体配置通常会导致较低的居留时间和更小的微粒。通过配置流可以允许特定的混合纳米颗粒配置,这将在稍后讨论。
材料范围和组合
粒子在单元素生成的材料也可以使用不同的电极和气体流配置。例如,通过烧蚀的金和银电极,可以生成合金金价和银纳米颗粒。两个SA设置也可以设置在串联或并联提供不同类型的粒子凝聚或装饰。
一系列气体流经配置可以有利于沉积的材料,例如金颗粒涂敷铜微粒。其他更多的异国情调的配置,如核壳纳米粒子,也可能在这个配置。多元化的纳米颗粒的类型主要是由表面能的差异之间的最初的纳米颗粒和二次纳米[9]。
总的来说,火花消融在生成纳米颗粒提供了许多好处,包括高重现性,操作快速,简单的设置。混合纳米颗粒可以通过使用生成两个不同的电极材料,可以优化和粒子参数通过改变气体流量、电压、电流、和时间。此外,消除了需要使用化学品和溶剂生成粒子降低了环境影响的过程。
引用
[1]r·纳“纳米粒子:纳米技术的构建块,在纳米粒子的合成、稳定,钝化,功能化,美国化学学会,2008年,2 - 14页。
[2]w·j·斯塔克,p . r . Stoessel w . Wohlleben和a . Hafner“工业应用的纳米颗粒,”化学学会评论,44卷,没有。16,5793 - 5805年,2015页。
[3]m·拉伊a . p .炉火,贝拉,a . Yadav和c·阿尔维斯多斯桑托斯”战略选择贵金属纳米粒子在医学上的作用,“关键评价微生物学,42卷,没有。5,696 - 719年,2016页。
[4]b·f·g·约翰逊,纳米粒子在催化,ChemInform, 35卷,没有。12日,第159 - 147页,2004年。
[5]j . Turkevich p·c·史蒂文森和j·希利尔”的研究成核和生长过程的合成胶体金,“讨论的法拉第社会,11卷,没有。,55 - 75、1951页。