单分散金纳米颗粒的合成及其表面改性和应用

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目前,纳米技术成为国内外研究的热点。其中,金纳米颗粒作为金属纳米粒子重要的一员,和块状金相比,具有由于尺寸变小带来的四大效应(量子尺寸效应、体积效应、表面效应、隧道效应),再加上金自身原子结构的特性,从而使金纳米颗粒在生物识别、生物传感器、催化、纳米电子学、光学等领域有着潜在和实际的应用,成为被广泛研究的一种物质。特别是在纳米电子学方面的应用,将对今后的纳米电子器件研制产生巨大影响。金纳米颗粒在纳米电子学中的应用瓶颈是如何制得单分散的颗粒,这是因为单分散纳米颗粒可以形成大面积二维有序阵列。因此,如何改善金纳米颗粒的单分散性也就成了纳米电子器件研制中的一个必须解决的问题。 本文通过电泳法、回流熟化法和种子生长法制备单分散金纳米颗粒。自制了一种电泳装置,首次进行了油溶性金纳米颗粒的分离。分离结果表明,在直流电场作用下,十八胺保护的金纳米颗粒带正电荷,其中大颗粒具有较慢的移动速度,小颗粒具有较快的移动速度,分离后金纳米颗粒的尺寸分布明显变窄,为缩小油溶性金纳米颗粒的尺寸分布提供了一种新的方法。 通过回流熟化,研究了不同回流溶剂、不同温度、不同回流时间等对金纳米颗粒的影响,总结出合成单分散金纳米颗粒的一般规律:首先制备尺寸小于3nm的颗粒,然后将小颗粒在硫醇保护下进行加热回流。在硫醇的作用下,单分散金纳米颗粒可以有一个很好的生成环境。其它物质虽然也具有保护金纳米颗粒的功能,但是和硫醇相比,都不足以使金纳米颗粒有很好的单分散性。单纯的加热也不能保证金纳米颗粒的单分散性,加热仅可以加快熟化的过程,硫醇保护下的加热才可以保证单分散金纳米颗粒的生成。 尽管经典的回流熟化可以合成单分散的金纳米颗粒,但是对合成粒径大于7nm的金纳米颗粒及其粒径控制,回流熟化无法实现。本文通过种子生长法,选用长链的脂肪胺作增溶剂配制生长液,同时兼作还原剂,用十二硫醇保护的小金纳米颗粒作种子,在加热作用下还原得到单分散性比较好的金纳米颗粒。通过调节生长液的量,可以实现单分散金纳米颗粒的纳米级尺寸增长,由于链长的限制,最大尺寸可以达到13.4nm。同时,还研究了不同链长的胺和生长方式等对合成的影响,总结出了硫醇和金动态成键的生长机理。 实际中,由于不同应用需要不同溶解性的金纳米颗粒,金纳米颗粒的溶解性调控也非常有意义。在本文中,通过聚合物在水中对憎水金纳米颗粒的包裹和在有机溶剂中的脱附,实现了金纳米颗粒在水中和油中的双溶。并且在水中,这种金纳米颗粒可以以很高浓度在很宽的pH范围内(1-14)稳定。通过改变聚合物量,可以得到不同尺寸的球状纳米聚集体,这些多孔球状聚集体有望在催化剂领域中得到应用。并且对这一现象形成的机理进行了热力学分析。
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