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        分步還原法制備電子漿料用球形銀粉及其形貌與粒徑

        2016-02-18 02:51:11李碧淵甘衛(wèi)平黎應(yīng)芬周健王曉慶
        關(guān)鍵詞:銀粉水合肼晶種

        李碧淵,甘衛(wèi)平,黎應(yīng)芬,周健,王曉慶

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        分步還原法制備電子漿料用球形銀粉及其形貌與粒徑

        李碧淵,甘衛(wèi)平,黎應(yīng)芬,周健,王曉慶

        (中南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410083)

        采用分步還原法制備銀粉,即以硝酸銀為銀源,硼氫化鈉為還原劑制備出晶種,然后還原硝酸銀制備銀粉,通過(guò)掃描電鏡(SEM)和X射線衍射分析,研究還原劑的種類、晶種數(shù)量、溶液體系中還原劑的濃度及硝酸銀濃度對(duì)銀粉形貌和粒徑的影響。結(jié)果表明:采用強(qiáng)還原劑制備的銀粉團(tuán)聚嚴(yán)重,粒徑不均勻;當(dāng)體系中還原劑濃度太小(0.05 mol/L)或太大(0.25 mol/L)時(shí),銀粉粒徑很小,團(tuán)聚嚴(yán)重;當(dāng)加入的晶種數(shù)量較少時(shí)(1 mL),銀粉粒徑不均勻,而當(dāng)晶種數(shù)量較大(3 mL)時(shí),銀粉粒徑很小,團(tuán)聚嚴(yán)重;隨硝酸銀的濃度從0.05 mol/L增加到0.20 mol/L,銀粉粒徑先增大后減小。采用還原性較弱的抗壞血酸為還原劑,晶種體積為2 mL,體系中C6H8O6和AgNO3的濃度均為0.15 mol/L時(shí),制備出表面光滑、分散性較好、粒徑均勻、粒度為1.5 μm的球形銀粉。

        分步還原;抗壞血酸;球形銀粉;化學(xué)還原

        貴金屬銀粉具有良好的導(dǎo)電性和催化性能,在電子漿料[1?3]、噴墨印刷[4]、催化[5?6]、傳感器阻[7]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。銀粉作為電子漿料用的導(dǎo)電相,要求具有良好的分散性,形貌為球形或類球形,平均粒徑為1.0~2.5 μm[8],因此,制備符合使用要求的表面光滑,球形或類球形且尺寸均一的銀粉一直都是科研工作者的研究課題。目前,制備超細(xì)銀粉的方法有化學(xué)還原法[9?10]、噴霧熱分解法[11]、研磨法[12]和輻射法[13]等,其中化學(xué)還原法設(shè)備簡(jiǎn)單,易操作,粉末形貌和粒徑可控,是應(yīng)用和研究最多的方法。在化學(xué)還原法制備銀粉時(shí),銀粒子的生長(zhǎng)過(guò)程包括成核和長(zhǎng)大2個(gè)階段,這2個(gè)階段共同決定銀粉的形貌和粒徑。根據(jù)Lamer模型,將成核和生長(zhǎng)階段分步進(jìn)行是制備粒徑及形貌可控、粒度分布范圍窄的銀粉的重要手段。成核與長(zhǎng)大均需要克服一定的熱力學(xué)勢(shì)壘,并受到臨界晶核尺寸的影響。一步還原法是將還原劑與氧化劑一次混合,形核和生長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行。單步合成反應(yīng)具有較快的反應(yīng)速度,可生成較多的晶核,從而生成較小粒度的粒子,并且整個(gè)成核階段相對(duì)縮短。但單步合成法的反應(yīng)速率快,無(wú)法同時(shí)得到快的成核速率和慢的生長(zhǎng)速率,因而容易導(dǎo)致晶核的二次團(tuán)聚[14]。分步還原法是先制備出晶種,使得形核和長(zhǎng)大過(guò)程分步進(jìn)行,通過(guò)控制體系中的晶核數(shù)量和生長(zhǎng)速率,得到粒徑均勻、分散性好的銀粉。DONG等[15]通過(guò)NaBH4誘導(dǎo)成核,在生長(zhǎng)階段利用檸檬酸鈉繼續(xù)還原硝酸銀制備了尺寸在20~50 nm 范圍內(nèi)可控的單分散球銀納米粒子。吳超等[16]先用抗壞血酸制備晶種,再采用并流的方式滴加還原液與硝酸銀溶液制備出粒徑為1.8 μm的分散性良好的球形銀粉顆粒?;瘜W(xué)還原法制備銀粉所用的還原劑有很多種,其中強(qiáng)還原劑有水合肼、硼氫化鈉、四丁基硼氫化物等,弱還原劑有檸檬酸鈉、葡萄糖、抗壞血酸等。利用水合肼和抗壞血酸作還原劑均可制備出球形或類球形的銀粉[17?18]。本文作者采用分步還原法,以NaBH4為還原劑先制備出晶核,再分別采用強(qiáng)還原劑水合肼和較弱的還原劑抗壞血酸作為生長(zhǎng)階段的還原劑,還原硝酸銀,研究還原劑的種類、晶種數(shù)量、還原劑濃度及硝酸銀濃度對(duì)銀粉形貌和粒徑的影響,以期制備出分散性良好且粒徑可控的球形微米銀粉,用于電子漿料中的導(dǎo)電相,改善電子漿料的導(dǎo)電性能。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 試劑

        AgNO3,分析純(純度99.8%),株冶集團(tuán)貴金屬部生產(chǎn);硼氫化鈉,分析純,天津市福晨化學(xué)試劑廠生產(chǎn);聚乙烯吡咯烷酮(PVP,分子式K30([C6H9NO])),分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn);抗壞血酸(C6H8O6),分析純,天津大茂化學(xué)試劑廠生產(chǎn);水合肼(N2H4·H2O),分析純,東北制藥股份有限公司生產(chǎn);無(wú)水乙醇,分析純,純度99%,天津市富宇精細(xì)化工有限公司生產(chǎn);去離子水。

        1.2 銀粉制備

        1.2.1 晶種制備

        在50 mL去離子水中加入3 mL濃度為6×10?4mol/L的硝酸銀水溶液和 0.2 g PVP,充分?jǐn)嚢韬螅焖偌尤? mL濃度為6×10?4mol/L的硼氫化鈉水溶液,用攪拌器不斷攪拌,反應(yīng)后所得黃色溶液(粒徑為25~ 40 nm的納米銀溶液[19]),即為晶種溶液。

        1.2.2 銀粉制備

        稱取一定量的硝酸銀、抗壞血酸(C6H8O6)和水合肼(N2H4·H2O),分別溶于去離子水中,配制成濃度為0.05~0.2 mol/L的AgNO3溶液、0.05~0.25 mol/L的抗壞血酸溶液和水合肼溶液。取與硝酸銀物質(zhì)的量比為1:1.5的PVP和一定體積晶種溶液加入到50 mL硝酸銀溶液中,攪拌均勻,即為氧化液。取50 mL抗壞血酸溶液或水合肼溶液作為還原劑,緩慢加入到氧化液中,用攪拌器不斷攪拌,反應(yīng)30 min后,靜置一段時(shí)間,然后在離心機(jī)上離心30 min,倒去上清液,剩余的黑色粉末顆粒即為銀粉顆粒,用去離子水清洗3次,再用無(wú)水乙醇清洗3次,在真空烘箱中干燥1 h,得到干燥的銀粉。

        1.3 性能檢測(cè)

        采用D-MAX2500型X線衍射儀對(duì)銀粉進(jìn)行物相分析,CuKα,波長(zhǎng)0.154 nm,掃描范圍為10°~80°,掃描速度為8 (°)/min。采用MIRA 3 LMH/LMU型掃描電鏡觀察銀粉形貌和分散性。用Mastersize2000型激光粒度分析儀測(cè)量銀粉的平均粒徑。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 還原劑種類的影響

        水合肼還原硝酸銀的化學(xué)方程式為

        4Ag++N2H4·H2O→4Ag+4H++H2O+N2(1)

        抗壞血酸還原硝酸銀的化學(xué)方程式為

        2Ag++C6H8O6→2Ag+C6H6O6+2HNO3(2)

        根據(jù)式(1)和(2),硝酸銀與水合肼的物質(zhì)的量比為4:1,硝酸銀和抗壞血酸的物質(zhì)的量比為2:1。為確保反應(yīng)完全,實(shí)際的配比為(AgNO3):(N2H4·H2O)=3:1,(AgNO3):(C6H8O6)=1:1。取晶種1 mL,分別采用抗壞血酸和水合肼作為還原劑制備銀粉,研究還原劑種類的影響。體系中硝酸銀的濃度(AgNO3)為0.1 mol/L。圖1所示為銀粉的SEM形貌。由圖1可看出:用水合肼作還原劑制備的銀粉粒徑很小且團(tuán)聚嚴(yán)重,用抗壞血酸制備的銀粉粒徑大約為0.5 μm,粒徑分布均勻,且分散性較好。這是因?yàn)樗想率呛軓?qiáng)的還原劑,當(dāng)水合肼加入到硝酸銀溶液中時(shí),與硝酸銀劇烈反應(yīng),還原出大量的銀原子,使得溶液中銀原子的過(guò)飽和度太大,形核驅(qū)動(dòng)力大,瞬間產(chǎn)生大量新晶核。后還原出來(lái)的銀原子數(shù)量相應(yīng)減少,因此用于生長(zhǎng)階段的銀原子很少,最終形成大量粒徑很小、表面能很高的銀粒子。大量銀粉顆粒之間相互碰撞的概率增大,導(dǎo)致團(tuán)聚。而抗壞血酸是相對(duì)較弱的還原劑,與硝酸銀反應(yīng)較緩慢,新還原出來(lái)的銀原子有足夠的時(shí)間擴(kuò)散到晶種上面使晶種生長(zhǎng),從而得到粒徑分布均勻且分散性較好的銀粉。

        圖1 采用不同還原劑制備的銀粉的SEM形貌

        2.2 還原劑濃度

        圖2所示為在晶種的體積為1 mL,體系中(AgNO3)為0.1 mol/L,抗壞血酸的濃度(C6H8O6)分別為0.05,0.15和0.25 mol/L時(shí)所得銀粉的SEM形貌。由圖2可見(jiàn):(C6H8O6)過(guò)低或過(guò)高時(shí),銀粒子的粒徑小且團(tuán)聚嚴(yán)重。這是因?yàn)檫€原劑濃度過(guò)低時(shí),反應(yīng)速率很慢,還原出來(lái)的銀原子來(lái)不及擴(kuò)散到晶種上生長(zhǎng)就被分散劑包裹,導(dǎo)致體系中生成很多細(xì)小的銀粒子,這些粒子在體系中的濃度高且表面能很大,很容易發(fā)生團(tuán)聚。當(dāng)還原劑濃度過(guò)大時(shí),反應(yīng)一開(kāi)始被還原出來(lái)的銀原子很多,銀原子的過(guò)飽和度很大,形成很多新的晶核,后還原出來(lái)的用于生長(zhǎng)階段的銀原子數(shù)量相應(yīng)減少,最終形成的粒子粒徑較小,容易團(tuán)聚。

        2.3晶種數(shù)量

        圖3 所示為反應(yīng)體系中(AgNO3)為0.1 mol/L,(C6H8O6)為0.15 mol/L,晶種數(shù)量分別為1,2和3 mL條件下制備的銀粉SEM形貌。從圖3可見(jiàn):當(dāng)加入的晶種量為1 mL時(shí),體系中晶種濃度太低,新還原出來(lái)的銀原子擴(kuò)散到晶種上的距離較大,因此較難擴(kuò)散到晶種使晶種長(zhǎng)大,導(dǎo)致溶液中銀原子過(guò)飽和度過(guò)高,形核驅(qū)動(dòng)力較大,部分銀原子形成新晶種。因?yàn)檫€原出來(lái)的銀原子在原有的晶種上生長(zhǎng)的數(shù)量比在新晶種上生長(zhǎng)的數(shù)量相對(duì)較多,使得由原有晶種長(zhǎng)大的銀粒子粒徑較大,而由新晶種長(zhǎng)大形成的粒子尺寸較小,最終獲得的銀粉粒徑分布范圍較寬。當(dāng)晶種數(shù)量為3 mL時(shí),體系中晶種過(guò)多,新還原出來(lái)的銀原子在每個(gè)晶種上生長(zhǎng)的數(shù)量較少,所以銀粒子較小,由于粒子的濃度大,相互碰撞的概率加大,容易團(tuán)聚。

        2.4 銀離子濃度

        圖4所示為保持晶種的體積為2 mL、體系中(C6H8O6)為0.15 mol/L條件下,硝酸銀溶液的濃度(AgNO3)對(duì)銀粉粒徑的影響。由圖4可見(jiàn):隨體系中(AgNO3)增大,銀粒子的粒徑先增大后減小,在(AgNO3)為0.15 mol/L時(shí),粒徑達(dá)到最大,為1.5 μm左右,符合電子漿料用銀粉的粒徑要求(1~2.5 μm)。(AgNO3)過(guò)低時(shí),溶液中銀離子濃度很低,銀離子在溶液中的分散程度很高,使銀離子向已有晶核表面擴(kuò)散遷移的距離增大,在過(guò)量還原劑和攪拌條件下,更有利于形成更多晶核,使體系中的銀晶核長(zhǎng)大速率小于形核速率,所以銀粒子尺寸小,當(dāng)(AgNO3)從0.05 mol/L增加到0.15 mol/L時(shí),反應(yīng)體系中銀離子增多,銀離子向銀晶核擴(kuò)散遷移的距離變小,有利于晶核長(zhǎng)大。而且加入的銀離子多,可還原出更多的銀原子在晶種上生長(zhǎng),使得最終的銀粒子尺寸更大。當(dāng)(AgNO3)繼續(xù)增大時(shí),由于體系中銀離子濃度過(guò)大,與還原劑劇烈反應(yīng),短時(shí)間內(nèi)生成大量銀原子,使體系中銀原子過(guò)飽和度過(guò)大,生成大量的新晶核,最終形成的粒子粒徑減小。

        圖3 不同晶種體積下制備的銀粉的SEM形貌

        圖4 硝酸銀濃度對(duì)銀粒子平均粒徑的影響

        圖5所示為采用不同濃度硝酸銀條件下制備的銀粉SEM形貌。由圖5可看出:銀粉粒徑均勻,且分散性較好。當(dāng)體系中(AgNO3)為0.15 mol/L時(shí),銀粉表面光滑,球形度良好,分散性最好。

        2.5 銀粉的物相組成

        圖6所示為晶種體積為2 mL、體系中(C6H8O6)為0.15 mol/L,(AgNO3)為0.15 mol/L條件下制得的銀粉的XRD譜。由圖6可見(jiàn):在2為38.086°,44.259°,64.506°和77.346°處有尖銳的衍射峰,與單質(zhì)銀的標(biāo)準(zhǔn)圖譜(JCPDS 04-0783)相吻合,分別對(duì)應(yīng)銀(111),(200),(220)和(311)晶面。圖中沒(méi)有出現(xiàn)其它雜峰,說(shuō)明銀粉為純凈的單質(zhì)銀,且結(jié)晶度良好。

        圖5 不同硝酸銀濃度下制備的銀粉的形貌

        圖6 銀粉的XRD譜

        3 結(jié)論

        1) 采用分步還原法制備銀粉,可控制形核和長(zhǎng)大過(guò)程,得到分散性較好的微米球形銀粉。

        2) 生長(zhǎng)階段采用強(qiáng)還原劑制備出的銀粉團(tuán)聚嚴(yán)重,粒徑不均勻;用還原性較弱的抗壞血酸,當(dāng)晶種體積為2 mL,抗壞血酸濃度為0.15 mol/L時(shí),可制得粒徑分布均勻、分散性好的銀粉。當(dāng)還原劑濃度太小(0.05 mol/L)或太大(0.25 mol/L)時(shí),銀粉粒徑很小,團(tuán)聚嚴(yán)重。當(dāng)晶種體積較小(1 mL)時(shí),銀粉粒徑不均勻;當(dāng)晶種體積較大(3 mL)時(shí),銀粉粒徑很小,團(tuán)聚嚴(yán)重。

        3) 隨硝酸銀濃度增大,銀粉粒徑先增大后減小。當(dāng)硝酸銀濃度為0.15 mol/L時(shí),制得的銀粉粒徑最大,為1.5 μm,粉末的分散性良好,形貌為球形且表面 光滑。

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        (編輯 湯金芝)

        Morphology and particle size of micro spherical silver fabricated by multistep reduction

        LI Biyuan, GAN Weiping, LI Yingfen, ZHOU Jian, WANG Xiaoqing

        (School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

        Sodium borohydride was used as reducer to prepare silver seed, and then the silver nitrate was reduced step-by-step in aqueous solution to fabricate micron silver powder. The effects of reducing agent, the amount of silver seed, the concentration of reducer and silver nitrate on the size and morphology of the silver particles were studied. SEM and X-ray diffraction were used to characterize the surface morphology and crystal structure of silver particles. The results show that the silver powder prepared with strong redusing agent agglomerates seriously and the particle size is non-uniform; when reduction agent concentration is too low (0.05 mol/L) or too high (0.25 mol/L), the silver particle is very small and agglomerates seriously; when adding fewer volume of crystal seeds (1 mL), the silver particle is non-uniform, and when adding more volume of seeds (3 mL), the silver powder is fine and agglomerates seriously; spherical silver particles with better dispersibility and uniform particle size can be obtained by using 2 mL of silver seed and weak reducing agent (ascorbic acid) when the concentration of ascorbic acid is 0.15 mol/L. With the increase of concentration of silver nitrate from 0.05 mol/L to 0.20 mol/L, the particle size of silver particle increases first and then decreases. When the concentration of silver nitrate is 0.15 mol/L, the spherical silver particle with average size of 1.5 μm has smooth surfaces, better dispersibility and uniform particle size.

        multistep reduction; ascorbic acid; spherical silver; chemical reduction; silver nitrate; sodium borohydride

        TF 123.7+3

        A

        1673?0224(2016)01?109?07

        2015?04?16;

        2015?07?07

        甘衛(wèi)平,教授。電話:13707311733;E-mail: gwp@.csu.edu.cn

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