超支化聚酰胺胺制備納米銀的影響因素分析 ①

2021-01-13 07:54:16陳金民劉開敏

佳木斯大學學報(自然科學版) 2020年4期

陳金民，劉開敏

(湄洲灣職業(yè)技術學院化學工程系,福建莆田 351100)

0 引言

銀具有優(yōu)良的導電性能，又比其它貴金屬價格更低，所以在生產中得到廣泛的應用，納米銀因為比表面積很大，因而具有體積效應、表面效應及量子尺寸效應等特性，被廣泛用于電子元器件、太陽能電池電極、低溫導熱材料、光學材料等[1～3]。制備納米銀主要有物理法、化學法、微生物法等方法[4～9]。但這些制備方法中，依然存在納米粒度分布廣、粒徑失控、結晶不完全等，本文利用超支化聚酰胺胺PAMAM自身分子結構中氨基為還原劑，制備了納米銀，并通過分析pH值、溫度、N:Ag+等因素對超支化聚酰胺胺法PAMAM制備的納米銀粒徑的影響，實驗表明，納米銀粒徑明顯受到了pH值、N:Ag+、溫度等因素的影響，優(yōu)化反應的工藝參數(shù)，得到了超支化聚酰胺胺PAMAM制備納米銀的較合理條件，具有較強的現(xiàn)實意義。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

超支化聚酰胺胺PAMAM、硝酸銀(分析純)、去離子水、乙醇(分析純)。

1.2 實驗儀器

島津UV-2550紫外可見分光光度計、FEI Tecnai G20 透射電子顯微鏡。

1.3 實驗方法

將0.1 mol/L的硝酸銀溶液逐滴滴加到濃度為0.2 g/L～2.0 g/L的超支化聚酰胺胺PAMAM溶液水溶液中，邊滴加邊攪拌，在水浴鍋上加熱，至溶液顏色由無色變?yōu)樽厣慈芤褐械腁g+都轉變成Ag0，得到納米銀溶液。

圖1 超支化聚酰胺胺PAMAM的結構圖

2 結果與討論

2.1 AEHPA制備納米銀的反應原理

如圖1所示，由于超支化聚酰胺胺PAMAM端氨基N上的孤對電子，具有較強的供電子能力，因此可以作為還原劑，提供電子把Ag+還原為Ag0，而PAMAM由于具有特殊的空腔結構，可以把還原生成的納米銀顆粒固定在內部空腔結構中，空腔結構的空間限制會控制銀納米粒子的粒徑，且生成的銀納米粒子也會因為受到空腔結構的保護而具有良好的穩(wěn)定性。

圖2 超支化聚酰胺胺PAMAM在不同pH值下制備的

圖3 超支化聚酰胺胺PAMAM制備的納米

由于超支化聚酰胺胺PAMAM溶液自身的pH約為11(OH-濃度為0.001 mol/L)，因此選擇pH=3(H+濃度為0.001 mol/L)和pH=11(OH-濃度為0.001 mol/L)時來作對比，看看PAMAM中氨基的還原作用。如圖2所示，當pH=11時，曲線b在400 nm附近生成了一個吸收峰，這是由球形納米銀引起的，說明溶液中有納米銀生成；而當pH=3時，即使加熱較長一段時間，曲線a在400 nm附近沒有吸收峰，溶液也沒有由無色變?yōu)樽厣f明溶液中沒有納米銀生成。這主要是由于當溶液pH=3時，質子氫(濃度約為0.001 mol/L)會與氨基結合變?yōu)橘|子酸，氨基氮的孤對電子為質子氫提供電子后，還原性變弱，無法為Ag+提供電子把Ag+還原為Ag0，因此即使加熱一段時間后溶液也沒有變?yōu)樽厣瑹o法將Ag+還原成納米銀。

圖4 N：Ag+摩爾比不同的銀納米粒子的TEM和粒度統(tǒng)計

2.2 反應時間對納米銀粉體粒徑的影響

如圖3所示，在400nm附近生成了一個吸收峰，說明溶液中有納米銀生成，且吸收峰會隨時間增加而變強，說明還原過程比較緩慢，隨著時間延長，納米銀晶體會繼續(xù)長大，容易形成顆粒較大的納米銀。根據(jù)Van't Hoff規(guī)則：溫度升高，反應速度會加快。如果加快反應速度，因反應時間短，所生成納米銀沒有足夠的時間繼續(xù)長大，會有利于形成粒徑相對較小的納米銀。經過試驗，發(fā)現(xiàn)采用水浴加熱的方法，使其反應溫度迅速升溫到80 ℃(因為水浴溫度太高水會沸騰，不容易控制，還原生產的納米銀也可能重新被氧化)還原制備納米銀，會獲得較小粒徑的納米銀。

2.4 N:Ag+的摩爾比對于制備納米銀的影響

通過TEM觀察了不同N:Ag+摩爾比下超支化聚酰胺胺PAMAM還原制備的納米銀，并進行粒徑統(tǒng)計，結果如圖4所示，a：TEM圖譜，b：粒徑統(tǒng)計。

從圖4中可以看到，剛開始隨著N:Ag+摩爾比的增加，制得的納米銀粒徑有減小的趨勢，說明增加超支化聚酰胺胺PAMAM的氨基氮含量，會使反應速度加快，當生成納米銀沒有足夠的時間長大，納米銀粒徑就會有所降低。但當N:Ag+摩爾比增加到9：1時，納米銀有部分發(fā)生了團聚，因此粒徑開始變大，主要原因是因為納米銀粒子表面效應，容易發(fā)生團聚導致粒徑變大。當N:Ag+摩爾比約為7：1時，如圖4(a)所示，顆粒分散比較好，也沒有比較明顯的團聚；如圖4(b)所示，納米銀顆粒直徑分布相對集中，分布在40～100 nm之間，主要在60～80 nm之間。通過透射電子顯微鏡TEM圖譜可以看出，當溶液中超支化聚酰胺胺PAMAM濃度增加，N:Ag+摩爾比也會增加，增加的PAMAM能夠更有效地分散納米銀顆粒，納米銀的粒徑逐漸減小，團聚逐漸減少，但如果聚合物過多時，團聚又開始增加，粒徑反而會變大。