一個電化學法制備納米銀的高中化學實驗

董威紅 王明召

一個電化學法制備納米銀的高中化學實驗

董威紅 王明召

納米材料指微觀結構至少在一維方向上受納米尺度調制的固態材料，其晶粒或顆粒尺寸在1～100nm范圍。銀的納米級顆粒具有獨特的理化性質和很高的比表面積、表面活性，可用作催化材料、防靜電材料、抗菌材料和生物傳感器材料[1,2]等，是一種新興的功能材料。

一、納米銀的不同形貌

在實際應用中，不同行業對納米銀的特性有著不同的需求，而納米銀的特性主要由它的結構、形貌、尺寸以及材料本身所處的化學物理環境所決定。目前已成功制出了球形、片狀、立方體、線狀(棒狀)、棱柱等多種形狀的納米銀，其中球形納米銀顆粒和片狀納米銀已經為生產生活帶來了重大的變革。

納米銀粉的表面積大，表面原子比例高，具有高表面活性和良好的光譜殺菌作用，是一種具有長效性和耐候性的抗菌劑，廣泛用于醫用抗菌消炎材料和抗菌陶瓷。納米銀敷料具有持續殺菌特點和顯著的抗菌、促進創傷愈合的良好療效，并且這種敷料對諸如黃色葡萄球菌、大腸桿菌、綠膿桿菌等臨床常見的40余種外科感染細菌有較好的抑制作用。摻入納米銀粉的陶瓷具有殺菌、自清潔的功能。銀納米顆粒熔點低，作為導電漿料可低溫燒結，對基片材料的耐高溫要求大大降低，甚至可采用塑料代替耐高溫的陶瓷材料，因此導電銀漿在電子工業中是一種重要材料。目前，以片狀結構的銀粉制備高導低溫銀漿涂層性能優良，研究和制備光亮的片狀銀粉成為材料科學的一個熱點領域[2]。納米銀線可用于傳輸激光，制造新的光學器件，良好的導電性使其可作為納米電子器件的導線，并可望用于制備新型導電復合材料。目前納米銀棒、納米銀立方體的應用研究還不完善，而樹枝狀納米銀的研究還集中在制備階段。

在納米銀顆粒的制備方法中，物理和化學方法較為成熟，近些年生物還原法正逐漸受到關注?；瘜W法是目前制備納米銀最常用的方法，下面介紹利用電化學方法制備球型銀納米顆粒的學生實驗方案，該方法簡便易行，可以為教師實驗教學提供參考。

二、學生實驗—電化學方法制備球形銀納米顆粒

1.實驗目的

(1)了解前沿領域納米銀的相關知識，理解納米銀的制備原理。

(2)掌握相關實驗技能，提高思考、探究及實驗操作能力。

(3)體驗科學探究的樂趣。

2.實驗原理

用電解裝置，在加有適當穩定劑的有機相電解液或水相電解液中，將硝酸銀、硫酸銀等銀鹽中的Ag+還原為Ag0，可獲得分散的納米銀粒子，這一方法稱為電化學還原法[3]。該法簡單、快速、無污染，是一種合成納米銀的有效手段。由于這是一種新方法，因此合成條件和納米粒子形成機理的研究系統性還存在不足。

在電化學還原制備納米銀的過程中，穩定劑的作用是阻止銀粒子的團聚，控制銀粒子生長，它對納米粒子的形成起著關鍵作用。如果沒有穩定劑，還原生成的Ag0會相互團聚生長，只能得到大顆粒的銀單質。常用的穩定劑有PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、EDTA(乙二胺四乙酸)、檸檬酸鈉、半胱氨酸等。

本實驗選用檸檬酸鈉為穩定劑，它在納米銀的制備中主要從兩方面起作用。(1)檸檬酸鈉具有很強的配位能力，可以通過與Ag+配位來降低溶液中游離Ag+的濃度，這樣就間接地減緩了Ag0的生成[4]，降低了顆粒聚集的速度。檸檬酸鈉與Ag+的配位離解平衡為：

檸檬酸根離子帶有負電荷，它可通過靜電吸引力吸附在帶正電荷的納米銀團簇Ag2+，表面，形成負電層。負電層的強排斥作用減少了碰撞引起團聚的概率，因而大大延緩了晶粒的生長速率，形成檸檬酸根包裹的穩定納米團簇[4,5]。檸檬酸根的作用原理如圖1所示[5]：

圖1 檸檬酸根覆蓋的納米銀團簇的形成過程

3.儀器及試劑

試劑：檸檬酸鈉溶液(1%)、硝酸銀溶液(0.001mol?L-1)、丙酮。

儀器：磁力攪拌器、鉑絲-鉑片雙電極系統、10mL小燒杯、試管、吸量管。

4.實驗步驟

(1)向小燒杯中加入3mL檸檬酸鈉溶液和2mL硝酸銀溶液。

(2)在小燒杯中放入磁子，置于磁力攪拌器上，攪拌混合均勻。

(3)插入鉑絲和鉑片(5mm×6mm)。以鉑片電極為工作電極(陰極)，鉑絲為輔助電極，于8～10mA電流下電解20min。停止時，先關閉電流，再停止攪拌。反應完成后，溶液為淡黃色。

(4)離心分離，將上層液體密封避光保存。取出下層固體，分別用蒸餾水及丙酮洗滌兩次，并自然風干。

(5)用掃描電鏡觀察固體產物的形態，可以看到球型納米顆粒，粒徑一般在20～60nm之間。

(6)取密封避光保存的上層液體，測定納米銀溶液的紫外吸收光譜，其特征吸收峰位置出現在400nm左右。

5.拓展探究

依據以上實驗方法，改變硝酸銀、檸檬酸鈉的用量及電流大小，通過比較產物的粒徑及形貌，探究制備條件對球形納米銀的粒徑及形貌的影響。

[1] 李敏娜,羅青枝,安靜,等.納米銀粒子制備及應用研究進展[J].化工進展,2008,27(11):1765-1771.

[2] 朱桂琴,史建公,王萬林.銀納米材料制備和應用進展[J].科技導報,2010,28(22):112-117.

[3] 尹秉勝,馬厚義,陳慎豪.電化學技術制備納米材料研究的新進展[J].化學進展,2004,16(2):196-203.

[4] 張萬忠.納米銀的可控制備與形成機制研究[D].武漢:華中科技大學,2007.

[5] Pillai Z S et al. What Factors Control the Size and Shape of Silver Nanoparticles in the Citrate Ion Reduction Method[J]. J Phys Chem B, 2004, 108(3): 945-951.

2011-03-27

董威紅，在讀碩士研究生。王明召，博士，副教授。

北京師范大學化學學院。

國家級化學實驗教學團隊建設項目；教育部實驗室共建項目；北京市教育委員會共建項目；北京師范大學教學建設與改革項目。