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银纳米粒子的制备及光谱和电化学表征

实验指导

基础化学教学实验中心

吕桂琴

一．引言
1.1银纳米粒子的特性及电化学应用前景
纳米粒子体积小、比表面大具有独特的电子、光学和催化特性，是表面纳米工程及功能性纳米结构制备的一种理想的选择和研究对象。纳米粒子在固体表面的二维和三维有序组装，可制备多种光学和电化学传感器件，成为目前纳米材料研究的热点。导电的纳米粒子单层和多层膜由于具有一定的孔状结构、高的比表面积，成为具有特殊效应的传感材料。将纳米粒子组装到有序多层薄膜上主要有诸如以下几方面的应用前景：(1)分子导线；(2)纳米粒子光学传感器；(3)纳米粒子有序膜的电化学和生物传感器等。银纳米粒子可广泛应用于催化材料、电池的电极材料、低温导热材料和导电材料等，成为近年来的研究热点。在电化学方面用纳米银制备化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极，可以增大电极与液体或气体之间的接触面积，提高电池效率，有利于电池的小型化。Nishimura等人利用纳米银的这一特性，将纳米银粉沉积在石墨表面，制得具有优异循环特性的银石墨复合材料电极。纳米银的低温导热系数高而比表面积大，这使得纳米银成为优良的低温导热材料。
另外，由于单质银具有广谱杀菌的能力，它在医药卫生领域也有一定的应用。负载了银颗粒的活性炭纤维具有很强的杀菌能力。而将负载的银制备成纳米级的颗粒后，由于其比表面积大幅提高，表面原子占更大比例，材料的反应活性即杀菌活性也相应提高。
1.2银纳米粒子制备方法
物理方法
制备纳米金属颗粒常用的蒸发凝聚法和离子溅射法很早就用于银纳米颗粒的制备。这两种方法不易引入杂质，获得的银颗粒平均粒径也较小。机械研磨也是一种较为简单常用的方法。一般说来，各种制备金属单质纳米颗粒的物理方法都适用于制备纳米银颗粒。物理方法原理简单，所得产品杂质少、质量高，但其缺点是对仪器设备要求较高，生产费用昂贵。
化学方法
化学法是目前纳米银材料最常用的制备方法，它是通过化学反应将Ag+还原，使其形成纳米级颗粒。根据所得产物是否负载在其他载体上，该制备法又可分为负载型和非负载型银纳米颗粒。
负载型纳米银的制备：将制得的纳米银颗粒分散在固相载体中，利用载体对银颗粒的作用，减少生成银颗粒的团聚，保持产品粒径。它主要用于催化剂制备等需要引入载体的过程。根据还原银离子方法的不同，负载型纳米银的制备又可分为高温分解法、化学镀法和活性炭纤维还原法等。
非负载型纳米银的制备：按还原银离子和防止银单质颗粒团聚的原理不同，非负载型纳米银的制备方法又可分为化学还原法、射线辐照法、微乳液法、超临界流体法、电化学法等。
化学还原法是最常用的纳米银的制备方法，其原理是将硝酸银、硫酸银等银盐与适当的还原剂如锌粉、水合肼、柠檬酸钠、硼氢化钠等在液相中进行反应，使Ag+离子被还原Ag原子，并生长为单质颗粒。化学还原法制得的纳米银颗粒杂质含量相对较高，而且由于相互间表面作用能大，生成的银微粒之间易团聚，所以化学还原法制得的银粒径一般较大，分布很宽。降低生成的银单质颗粒的团聚作用，减小颗粒粒径，须加入分散剂，但增加了反应副产物，提高了生产成本。
相对于物理方法而言，化学方法较为灵活多样，易于操作，但也存在一定缺点。负载型纳米银的制备原理简单、原料银利用率高，但工艺较为复杂。高温分解法需要在高温条件下才能够进行；化学镀法和活性炭纤维还原法相对简单，但由于缺乏控制产物晶体生长的手段，所得产品的粒径较大。此外，制备负载型纳米银需要适当的固相载体，而载体的性质在一定程度上决定了产品的应用范围，这些都限制了制备负载型纳米银技术的发展。
对非负载型纳米银的制备而言，化学还原法、微乳液法和电化学法简便易行，但生成的颗粒尺寸难以控制，粒径分布范围较宽。同时这几种方法需要消耗大量的表面活性剂，不仅提高了生产成本，而且容易污染环境。
1.3课程内容
(1)电化学探针系统循环伏安测定
运用CHI660电化学工作站，以金电极、甘汞电极、铂电极构成三电极系统，测定电化学探针系统K3[Fe(CN)6]在不同扫描速率时的循环伏安图，通过实验了解循环伏安法研究电化学过程的测定原理、测试技术及数据处理；学会选择工作电极、参比电极、辅助电极构成三电极系统和CHI660电化学工作站的使用方法。
(2)电化学探针系统的交流阻抗谱测定。
运用CHI660电化学工作站，以金电极、甘汞电极、铂电极构成三电极系统，测定电化学探针系统K3[Fe(CN)6]的交流阻抗谱。学习交流阻抗谱研究电化学过程的测定原理、测试技术及数据处理；巩固选择工作电极、参比电极、辅助电极构成三电极系统和CHI660电化学工作站的使用方法。
(3)银纳米溶胶的制备和紫外可见光谱表征
以AgNO3和NaBH4溶液控制