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        納米銀粒子的制備及其催化性能的研究

        2011-02-06 12:44:04李菊梅
        陶瓷學(xué)報 2011年3期
        關(guān)鍵詞:苯胺藍(lán)硼氫化鈉吸收光譜

        李菊梅

        (景德鎮(zhèn)陶瓷學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院,江西景德鎮(zhèn)333001)

        0 引言

        銀納米粒子由于具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)、催化和化學(xué)反應(yīng)性質(zhì),而在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如:(1)納米銀粒子具有很強(qiáng)的殺菌能力、良好的生物兼容性和表面易修飾等優(yōu)點(diǎn),可以應(yīng)用于抗菌材料、生物標(biāo)記、生物分離、純化等方面;(2)納米銀粒子具有很高的表面活性、表面能、催化活性,可以用作光電器件、催化劑材料、低溫超導(dǎo)材料、防靜電材料、電子漿料和生物傳感器材料等[1-3]。因而近年來,銀納米粒子的研究日益受到了人們廣泛的關(guān)注。銀納米粒子的制備方法分為物理法和化學(xué)法,化學(xué)還原法由于具有工藝簡單、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而成為目前制備銀納米粒子最常用的方法,其中最著名的方法是聚醇還原法(polyol method)[3-5],即采用PVP為保護(hù)劑,乙二醇為還原劑和溶劑,在水熱反應(yīng)釜中于200~300℃下合成銀納米粒子。但是該方法對反應(yīng)設(shè)備要求苛刻,比如需要耐高溫高壓的四氟乙烯內(nèi)襯反應(yīng)釜,能耗較高(200℃以上的反應(yīng)溫度),中間過程不能控制,反應(yīng)產(chǎn)量低,難以大批量制備。因此開發(fā)一種簡單,經(jīng)濟(jì),可以工業(yè)化生產(chǎn)的方法仍然面臨著挑戰(zhàn)。本文采用硼氫化鈉為還原劑,PVP為保護(hù)劑,在室溫下合成了粒徑小,窄粒徑分布,穩(wěn)定性好的納米級銀粒子,該方法反應(yīng)條件溫和,能耗低,重復(fù)性好,可以大規(guī)模制備。并將其作為催化劑,實施了降解甲苯胺藍(lán)的實驗,實驗結(jié)果表明該銀溶膠具有較高的催化性能。

        1 實驗

        1.1 實驗原料

        硝酸銀(AgNO3>99.8%),聚乙烯吡咯烷酮(PVP K30,平均分子量40000),硼氫化鈉(NaBH4),甲苯胺藍(lán)(TB),均從上?;瘜W(xué)試劑廠購買。所有的實驗均使用去離子水。

        1.2 銀納米粒子的制備

        首先將10mL0.02mol/L硝酸銀水溶液和10mL3%PVP水溶液加入一個50ml的圓底燒瓶,然后加入磁力攪拌子,在室溫下攪拌2h,使得銀離子充分的與PVP鏈上的N原子絡(luò)合,形成成核位點(diǎn)。最后邊攪拌,邊慢慢滴加10mL0.01%硼氫化鈉水溶液,隨著硼氫化鈉溶液的加入,反應(yīng)溶液逐漸由無色變?yōu)榱咙S色。

        1.3 樣品的表征方法

        用H-600(Hitachi,日本)型透射電子顯微鏡(Transmission electron microscope,TEM)觀察銀納米粒子的形貌和粒徑,加速電壓為75kV。樣品的制備方法:用微量移液器移取5μL用水稀釋后的銀溶膠,滴于鍍有碳/高分子膜的銅網(wǎng)上,室溫下干燥后即用于觀察。

        圖1 銀納米粒子的TEM圖(a)和XRD圖譜(b)Fig.1 TEM photo(a)and XRD spectrum(b)of silver nanoparticles

        用UV-3150(Shimadz,日本)型紫外-可見分光光度計(Ultraviolet-visible,UV-vis)分析銀溶膠的光學(xué)性質(zhì)。測試方法為將銀溶膠3mL加入石英比色皿中后,置于光譜儀樣品槽中測量,對比槽中為加入去離子水的石英比色皿。光譜儀掃描范圍為300~800nm。

        用BRUKERD-8XAdvance型X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)儀分析銀納米粉體的相結(jié)構(gòu),Cu Kα輻射(λ=0.1542nm),掃描步寬為0.02,掃描范圍2θ為30°~90°。粉體的平均晶粒尺寸采用謝樂公式[6]計算:

        其中,d為平均晶粒尺寸,K為謝樂常數(shù) (對于半峰寬k=0.89),λ為X射線波長,B為衍射峰的半高寬,θ為對應(yīng)的衍射角。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 銀納米粒子的表征

        圖1a為銀納米粒子的TEM照片。從照片可以明顯的看出所制備的銀納米粒子具有高度的單分散性,其平均粒徑為15nm,且粒徑分布均一。圖1b給出了銀納米粒子粉體的XRD譜圖。譜圖中顯示了五個清晰的、尖銳的衍射峰,其2θ值分別為38°、44.2°、64.4°、77.5°和81.7°,分別對應(yīng)于典型的純銀面心立方(fcc)晶體結(jié)構(gòu)的(111)、(200)、(220)、(311)和(222)晶面衍射峰,與銀的標(biāo)準(zhǔn)譜圖(JCPDS0420783)一致[5]。且其衍射峰有明顯的寬化現(xiàn)象,表明銀粒子粒徑較小,由謝樂公式計算得到的平均晶粒尺寸為17.4nm,與TEM照片顯示的結(jié)果十分吻合。進(jìn)一步用紫外-可見分光光度計表征了所制備銀溶膠的光學(xué)性質(zhì),由圖2可見,所制備的銀溶膠,在390nm左右出現(xiàn)了很強(qiáng)的吸收峰,這是典型的粒徑為10~20nm球形銀納米粒子的紫外特征吸收峰,與文獻(xiàn)[7,8]報道的基本一致,且銀溶膠為亮黃色(見圖2左)。以上表征結(jié)果表明采用本文所報道的方法,可以制備粒徑分布均一,穩(wěn)定性高,結(jié)晶性能優(yōu)良的銀納米粒子。

        圖3 甲苯胺藍(lán)溶液,加入硼氫化鈉3h,加入銀溶膠5min,15min,30min后的照片F(xiàn)ig.3 Photographs of TB,with NaBH4 for 3h,and with Ag nanoparticles for 5min,15min and 30min

        2.2 銀納米粒子的催化性能研究

        銀納米粒子由于其納米尺寸效應(yīng),具有較高的比表面積,比表面能和催化活性。本文以硼氫化鈉還原甲苯胺藍(lán)為實驗?zāi)P?,考察了銀納米粒子的催化性能。首先將硼氫化鈉和甲苯胺藍(lán)溶液混合,在室溫下反應(yīng)3h后,溶液的顏色基本沒變化,仍為甲苯胺藍(lán)的亮藍(lán)色(見圖4),表明甲苯胺藍(lán)未被還原。但是當(dāng)在反應(yīng)溶液中加入1mL銀納米粒子溶膠后,5min后溶液的顏色即變淺,30min后藍(lán)色幾乎消失。圖5為反應(yīng)溶液的紫外吸收光譜,曲線a為甲苯胺藍(lán)溶液的吸收曲線,曲線b為在甲苯胺藍(lán)溶液中加入硼氫化鈉溶液3h后的吸收光譜,其顯示了很強(qiáng)的甲苯胺藍(lán)的特征吸收峰(最大吸收波長為584nm),且吸收峰的強(qiáng)度與甲苯胺藍(lán)溶液的強(qiáng)度基本相同,表明室溫下,硼氫化鈉幾乎不能還原甲苯胺藍(lán);曲線c,d,e分別為在反應(yīng)液中加入1mL銀納米溶膠5min,15min,30min后溶液的紫外吸收光譜,圖中只顯示了微弱的甲苯胺藍(lán)的特征吸收峰,表明甲苯胺藍(lán)染料幾乎完全消失了。以上實驗結(jié)果表明,本文所制備的銀納米粒子具有很高的催化活性,可以廣泛應(yīng)用于污水的處理,環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。

        圖4 甲苯胺藍(lán)的紫外吸收光譜(a),以及加入硼氫化鈉后3h(b),加入銀溶膠后5min(c),15min(d),30min(e)的紫外吸收光譜Fig.4 UV-vis absorbance spectrum of TB(a),with NaBH4 for 3h (b),with Ag nanoparticles for 5min(c),15min(d)and 30min(e)

        3 結(jié)論

        本文利用聚乙烯吡咯烷酮為穩(wěn)定劑,硼氫化鈉為還原劑,在室溫下成功的制備了銀納米粒子。該方法簡單,經(jīng)濟(jì),重復(fù)性好,可以工業(yè)化生產(chǎn)。并用TEM, XRD,UV-vis表征了銀納米粒子的形貌,晶型和光學(xué)性質(zhì),結(jié)果表明所制備的銀納米粒子具有單分散性,高穩(wěn)定性,粒徑分布窄和高結(jié)晶度等特征。并進(jìn)一步使用該銀納米粒子催化硼氫化鈉還原甲苯胺藍(lán)染料,實驗結(jié)果表明銀納米粒子具有很高的催化活性。

        1凌紹明.銀納米粒子的綠色合成及其光譜特性.化學(xué)世界,2010, (6):327~329

        2王靜,劉亞君,胡愛云,顧維閏,孫龍.單分散的銀納米粒子的制備及表征.江蘇科技大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版),2010,24(4): 350~352

        3張萬忠,喬學(xué)亮,陳建國.銀納米材料的可控合成研究.稀有金屬材料和加工,2008,37(11):2059~2063

        4 SILVERT P Y,HERRERA U R,DUVAUCHELLE N,et al. Preparation of colloidal silver dispersions by the polyol process. Part 1:Synthesis and characterization.J.Mater.Chem.,1996,6: 573~577

        5 LIANG Hongyan,WANG Wenzhong,HUANG Yingzhou,et al.Controlled synthesis of uniform silver nanospheres.J.Phys. Chem.C,2010,114:7427~7413

        6 WANG Chao,HOU Yudong,WU Ningning.Preparation and phase transformation of (Li0.06Na0.47K0.47)NbO3nano-powders derived from sol-gel process.Acta Chimica Sinica,2009,67 (3):203~207

        7 SOLOMON S D,BAHADORY M,RUTKOWSKY S A. synthesis and study of silver nanoparticles.J.Chem.Educ., 2007,84(2):322~325

        8 MAYER A B R,GREBNER W,WANNEMACHER R. Preparation of silver-latex composites.J.Phys.Chem.B, 2000,104:7278~7285

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