连二亚硫酸钠还原制备纳米银粉.pdf
第1 2 卷第4 期 2 0 【2q0 8J { 矿冶工程 M I N I N GANDM E T A L L U R G C A LE N G t N E E R I N G V o l _ 3 2 №4 A u g u s l2 0 1 2 连二亚硫酸钠还原制备纳米银粉“ 张亚辉1 ,周超2 ,李妍2 ,季婷婷,施维2 ,盂凡东2 东北凡学资游与} 小I .雅学院,辽。J 沈F t l l l 0 8 1 9 ;2 武汉』;f } r X 学贷源’j 环境L 张学院,湖北武汉4 3 0 0 7 0 摘要通过向银的己“胺四乙酸络合溶液中滴加还原刑连一‘业硫酸钠溶敞制备r 纳米尺寸的银粉。考察r 硝酸银浓度、络合剂 艏节、还棘剐饿度川H 讯、反成温度弗l 拌速度.还琢齐j 溶液滴自n 逮瘦对所制{ 导银粉粒径的影响,确x 岛’j 线衍射和场发射扫描电镜对 所制钳粉的晶体结构干”形貌进行』’表 『[ } _ ,试验} 占求衷日J 】,作A g E 1 7 I A 络介溶液浓度为00 0 5m o l /L ,E D T A 过量1 0 %,p H 值为 1 I5 ,还原剂浓度为00 0 7 5m o l /1 .,搅拌转速为4 0 0r /m i n ,度膻潞度为5 0 ℃,还原剂滴加速度为00 6r e i m s 的条件F ,所得银粉的 平均粒释为5 8 1 1 1 1 1 关键词纳米银粉;琏业硫酸钠;化学还原法 中国分类号0 6 1 41 2 2文献标识谒A文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 2 0 4 0 1 1 3 0 5 P r e p a r a t i o no fS i l v e rN a n o p a r t i c l e sU s i n gS o d i u mD i t h i o n i t e a sR e d u c i n gA g e n t Z H A N GY a .h u i l ,Z H I UC h a 0 2 ,L IY a n 2 ,J 1T i n g t i n 9 2 ,S H IW e i 2 ,M E N GF a n - d o n g 。 1 .C o l l e g eo f R e s o u r c e sa n dC i v i lE n g i n e e r i n g ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g1 1 0 8 1 9 ,L i a o n i n g ,C h i n a ;2 .C o l l e g e o f R e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ,W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ,W u h a n4 3 0 0 7 0 ,H u b e i ,C h i n a A b s t r a c t N a n o s i z e ds i l v e rp o w d e rw a sp r e p a r e dh yd r o p w i s ea d d i n gs o d i u md i t h i o n i t es o l u t i o n .t ot h es o l u t i o no fs i l v e r e t h y l e n ed i a m i n et e l r a a c e t i ca c i d E D T A c o m p l e x ,l ’h ee f f e c t so fs d v e rn i t r a t ec o n c e n t r a t i o n ,d o s a g e o fc o m p l e x i n g a g e n t .c o n c e n t r a t i o no fr e d u c i n ga g e n t ,p H ,r e a c t i o nt e n l p e r a t u r e ,s t i r r i n gs p e e d ,a n da d d i n gs p e e do fr e d u c i n ga g e n t s o l u t i o no ns i l v e rp a r t i c l es i z eh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dT h ec r y s t a ls t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo fs i l v e rp a r t i c l e sp r e p a r e d w e r ec h a r a c t e r i z e du s i n gX r a yd i f r r a ‘t i o n X R D a n df i e l de n l i s s i ms c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e F E S E M .T h e e x p e r i m e n t a lr e s u h ss h o w e dt h a ts i l v e rp a r t i c l e sw i t ha na v e r a g es i z eo f5 8n l l lw e r epJ e p a r e du n d e rI h ec o n d i t i o n ss u c h a sA g E D T Ac o m p l e xs o l u t i o ne o n c e D t r a t i o no f0 .0 0 5m o l /L ,e x c e s s i v ea m o u n to fE D T Ao f1 0 %,p Ho f 1 i5 , r e d u e t a n tc o n c e n t r a t i o no f0 .0 0 7 5r n o l /l 。.s t i r r i n gs p e e do f4 0 0r /m i n .r e a c t i o nt e m p e r a t u r eo f5 0c | Ca n dr e d u e t a n t a d d i n gs p e e do f00 6m L /s . K e yw o r d s s i l v e rn a n a p a r t i e l e ;s u d i u md i l h i t m i t e ;c h e m i c a lr e d u c t i o nm e d m d 纳米银粉具有比表面积大、活性高、熔点低、烧结 性能好等优点,广泛用作催化剂材料、防静电材料、低温 超导材料、电子浆料、隈用抗菌材料、E U 极材料、小物传 感器材料和生物标记物、光电器件等2 。因此,纳米银 粉的制备和性能研究越来越受到研究人员的关注、, 近年米,纳米银的制备技术发展迅速,方法多种多 样,按制备条件可分为化学还原法 仵水性或非水性 溶剂中银离子的化’事’还原 、微乳液法”。、模板法”、 电化学法4 、光诱导或光催化还原法、微波辅助或超 声辅助法、辐射还原法等化学方法以及激光’℃相法、激 光烧蚀法等。‘⋯物理加法。 化学还原法| } | 于制备条件简单、易于控制而得到 很好的肫用。采用化学还原法制备纳米银,常用的还 原剂有甲醛、葡萄糖、水合肼““、乙二醇1 “、次亚磷 酸锕”““、抗坏血酸”、双氧水、硼氢化钠掣”“⋯. 本研究采用报道较少的连二亚硫酸钠 俗称保险粉 作为还原剂,还原硝酸 眼/E D T A 络合溶液体系,制备 纳米级银粉。连二Ⅱ硫酸钠在酸性条仲下极易分解, 在碱性介质中是一种强还原剂,在碱性条件下 2 5 。c ,其氧化还原半反应为 2 S 0 12 。 2 H 2 0 2 e S 2 0 42 一 4 0 H F o 一11 2V q l 收稿日期2 0 1 2 4 a 0 6 作者简介张业辉f1 9 6 6 ,男.湖南省湘阴县人,教授,博士,生婴研究方向为甩也会埔矿选矿、灌法冶金。 万方数据 4 矿冶工程第3 2 卷 s g o 0 了.0 5 9 l , g 黑薯“6 5 2 - 0 1 1 8 p H s 丁1 雨i T 彳 l ‘o z u 1 1 6 p H 由上式可知,连二亚硫酸钠的氧化还原电位随着 p H 值的升高而下降,可见其还原能力随着p H 值的升 高而增强。 本研究采用连二亚硫酸钠还原硝酸银/E D T A 络 合溶液制备粒度分布均匀的纳米银粉,考察化学还原 反应条件对制得银粉的粒径大小和粒径分布的影响, 以了解制得银粉粒径随还原条件变化的规律。 1 试验方法 称取一定量硝酸银溶于去离子水中,配成硝酸银 溶液,另外称取一定量乙二胺四乙酸与氢氧化钠溶于 去离子水中,配成乙二胺四乙酸的氢氧化钠溶液,以某 一恒定的转速搅拌该溶液,均匀加人硝酸银溶液i 配成 A g E D T A 络合溶液。称取一定量连二皿硫酸钠与少 量氢氧化钠溶于去离子水中,配成碱性连二皿硫酸钠 还原溶液,转移至梨形分液漏斗中。控制恒温水浴磁 力搅拌器温度开关,保持A g E D T A 络合溶液温度恒 定,并保持一定转速搅拌该溶液,打开梨形分液漏斗阀 门,控制还原剂溶液以一定的速度滴入A g E D T A 络合 溶液中;还原剂溶液滴加完毕后,再搅拌反应溶液5 m i n ,然后采用离心机离心、固液分离。银粉用去离子 水洗涤3 次后在真空干燥箱中于4 5 ℃下干燥1 2h ;干 燥后得到的银粉送X 射线衍射、扫描电镜分析。 试验药剂硝酸银、连二亚硫酸钠、乙二胺四乙酸、 氢氧化钠均为分析纯。 x 射线衍射采用日本R I G A K U 公司D /M A X R B 型x 射线衍射仪;扫描电镜分析采用日本日立公司 S 一4 8 0 0 型场发射扫描电子显微镜。 2 结果与讨论 连二亚硫酸钠还原A g 的化学反应式为 2 A g S 2 0 4 。 4 0 H 一2 A g 2 S O ≈2 一 2 H 2 0 连二亚硫酸钠与硝酸银的反应摩尔比为1 2 。为 了提高反应的转化率,试验采用连二亚硫酸钠过量的 形式,实际连二亚硫酸钠用量为理论用量的15 倍。 初步试验发现,在A g N O ,浓度为0 .0 1m o l /L ,连 二亚硫酸钠浓度为0 .0 0 5m o l /L ,温度为2 0q C ,搅拌器 转速为3 0 0r /m i n ,自然p H 值条件下,向A g N O ,溶液 中以0 .1 2m L /s 的速度滴加连二亚硫酸钠,制得银粉 平均粒径在2 5 0n m 左右,且粒径分布不均匀。为了制 备粒径更小的银粉,将A g N O ,用E D T A 溶液络合,替 代A g N O ,溶液。经过试验探索,在A g N O ,与E D T A 摩 尔比为1 1 ,A g - E D T A 络合溶液浓度为0 .0 1m o l /L ,p H 值为1 1 左右,还原剂量为1 .5 倍理论用量,搅拌器转 速为4 0 0r /r a i n ,反应温度为2 0 ℃,还原剂滴加速度为 0 .1 2m i f f s 的条件下制得银粉的粒径为1 0 0n m 左右, 且其均匀性较好,在此基础上进行条件试验,考察络合 剂用量、A g E D T A 浓度、p H 值、还原剂浓度、反应温 度、搅拌速度、还原剂溶液滴加速度对所制得银粉粒径 的影响。 2 .1 络合剂用量对银粉粒径的影响 在A g N O ,溶液浓度为0 .叭m o l /L ,p H 1 1 ,还原 剂量为1 .5 倍理论用量,搅拌器转速为4 0 0r /m i n ,反 应温度为2 0 ℃,还原剂滴加速度为0 .1 2m i f f s 的条件 下,络合溶液用量对银粉粒径的影响见图1 图中,D ,。 表示样品累积粒度分布百分数达到5 0 %时所对应的 粒径,也叫中值粒径,常用来表示粉体的平均粒度;D 。 表示样品累积粒度分布百分数达到9 0 %时所对应的 粒径,余图同 。随着络合剂E D T A 用量增加,银粉粒 径明显减小,在E D T A 与硝酸银摩尔比为1 .1 1 之后, 银粉粒径随E D T A 加入量的增加而减小的趋势减缓。 A g 与E D T A 在溶液中形成结构稳定的螯合物,降低 了A g 的反应活性及A g 的氧化还原电位,增大了还 原反应的难度,因此能够得到粒径较小的银晶体颗粒。 E D T A 用量过量1 0 %保证A g 被完全螯合,继续增加 E D T A 的量对银粉粒径的影响不大。 络台剂用量 相对理论量 /% 图1络合剂量对银粉粒径的影响 2 .2 A 9 一E D T A 浓度对银粉粒径的影响 在上述试验基础上,其它条件不变,保持E D T A 过 量1 0 %,考察A g E D T A 络合体系浓度对银粉粒径的 影响 见图2 ,可以看出,随着A g E D T A 络合溶液浓 度的降低,银粉粒径逐渐减小,在银离子浓度为0 .0 0 5 m o l /L 时,银粉粒径达到最小,平均粒径为6 0R m 左 右,并且粒度分布均匀。继续降低A g E D T A 浓度,银 粉粒径略有上升。 2 .3p H 值对银粉粒径的影响 保持A g - E D T A 络合溶液浓度为0 .0 0 5m o l /L , g\拦帮霉璀 万方数据 筹4 期张监辉等建二亚琉酸锇还豫莉备缩米镊糟 络合液浓度/ m o l - u 图2A Q E D T A 浓度对银粉粒径的影响 E D T A 过量1 0 %,其它条件不变,A g - E D T A 络台溶液 的P H 值对银粉粒径的影响见图3 。随着络合溶液p H 值升高,银粉粒径逐渐减小,当p H 值为1 1 .5 时,银粉 粒度达到最小,随后银粉粒径减小趋势减缓,变化 不大。 l \ 挂 轻 鑫 p Ⅱ值 图3p H 值对银粉粒径的影响 p H 值影响还原剂连二亚硫酸钠的还原能力和络 合荆E D T A 的络合能力。络合荆E D 3 ‘A 适宜的P } { 值 范围为1 0 以上,p H 过低,E D T A 解离不完全,络合能 力降低;p H 过高,则A g 与Q H 一结合生成氢氧化银, 并迅速转化为黑色的氧化银析出溶液,还原反应难以 继续进行。 2 .4 还原剂浓度对银粉粒径的影响 A g E D T A 络合溶液浓度为0 .0 0 5m o l /L ,E D T A 过 量1 0 %,p H 值为1 15 的条件下,其它条件不变,还原 莉浓度对银粉粒径的影响示于图4 。随还原剂浓度的 降低,银粉粒径逐渐减小,还原剂浓度为0 .0 0 7 5m o ] /L 时,银粉粒径达到最小;继续降低还原剂浓度,银粉粒 径变化不大。本试验采用向银溶液中滴入还原剂溶液 的方法,降低漓加的还原剡溶液的浓度,单位时间内加 入的还原剂量减少,反应速度慢,银晶核生成粒度小且 经搅拌很快分散到溶液中,有利于制备小颗粒银粉。 还原剂浓度/ r o d L 1 图4 还原剂浓度对银粉粒径的影响 2 .5 搅拌速度对银粉粒径的影响 A g .E D T A 络合溶液浓度为0 .0 0 5m o l /L ,E D T A 过 量1 0 %.p H 值为1 1 .5 ,还原剂浓度为0 .0 0 7 5m o l /L , 其它条件不变,搅拌速度对银粉粒径的影响见图5 。 可以看出,加大搅拌速度可以明显减小反应制得的银 粉粒度,在搅拌速度为4 0 0r /m i n .时,银粉粒径最低, 继续加强磁力搅拌器的搅拌速度,银粉粒度变化不大。 辑拌速度/ r m i n l 图5 搅拌速度对银粉粒径的影响 26 反应温度对银粉粒径的影响 A g E D T A 络合溶液浓度为0 .0 0 5r a o l /L ,E D T A 过 量1 0 %,p H 值为1 1 .5 ,还原剂浓度为0 .0 0 7 5m o l /L , 搅拌转速为4 0 0r /m i n .其它条件不变,反应温度对银 粉粒径的影响示于圈6 。随着反应温度升高,银粉粒径 呈 艇 辑 妻 反应温度/℃ 图6 反应温度对银粉粒径的影响 £{巡鞋鑫{| 万方数据 】1 6∞f } f} 1 有减d , f l “ J 趋势,在濉度5 0 ℃I I t 达剑最低,继续升离反 J 缸温度银粉粒径减小的趋势减缓 山阿累恺q 斯定仆J I J Ⅻ,提f 、6 反心体系的* .1 艘I I f 以加快反应进行的速度,温度每升高1 01 .化学反心 速率增加2 3 倍.捉『岛反J 越濉度,还原反J 、t 肌陕,银 的成核反应速率增加,_ 银离予浓度及抄敞仃限的条 件r ,银t 5 核的q i 成t t i 手导地f 口,扶褂的银粉粒径 减小。 27 还原剂溶液滴加速度对银粉粒径的影响 A g E I T A 络合溶液浓度为00 0 5m o ] /I .,E D r I A 过 量1 0 %,p } { 恤为1 15 ,还1 1 l j 刹浓度为00 0 7 5m o l /1 ., 搅拌转速为4 0 0r /m i n ,反应湍度为5 0 ℃,还J 剂溶液 的滴加速度对银粉粒径的影响见【g I7 。随着还原制溶 液的滴加速度降低,制得钺粉牲径逐渐减小,“1 } i ≈m 『述 度为01 2m L /s 时,C t c g } * ;z t , * - .达到1 0 0n l l l 以卜淌J i l l 速度为00 6m L /s 时制得银粉粒径最小“j 滴加速度 快的时候,短时问内埘1 人大b } 还原剂,反应速度过怏. 银t 仙核乍成后n 还原7i 氛r 逊述长人,所,1 .成的银粉 颗粒牲径较大。降低滴加速度,脚砸速度降低,银f 吊核 q 二成后消耗,还原剂,品核求4 ;及J _ 乏人就分敞剑檠个 溶液中,降低r 品核f 乇大的可能 E \ 型 囊 垂 摘枷巡腰/ m 1 .s ‘ 图7 还原剂滴加速度对银粉粒径的影响 以I i 条件l 试验表叫,nA g 一 T A 络合溶液浓J 立为 0 .0 0 5m o l /I .,E D ‘F A 过吐1 0 %,p l I { I I 为lI .5 ,还J ;i 剂 浓度为00 0 7 5m o l /L ,搅拌转速为4 0 0 ,n m ,,j 豆J 埘皿 度为5 0 ℃,还原剂滴加速度1 | J0 0 6m l /s 的条件F , 制得银粉的粒径自j 小罔8 为J 行制褂银粉的场发射十I 描电r 显微镜 F E S E M l g I 像.I } ,以行⋯,银糊糊憾体 分散性较好,H .基本孥类球形;锹颗粒粒径J 小作4 0 ~8 0n n l 之问,、| ,均粒径约为5 8l l I l l 、为r 弩察制得银 粉的 体纳构,进f r rX 射线衍 | l f 分析 弛罔9 ,化 2 0 3 5 0 ~8 5 。以5 个衍射峰,经过1 i 标准嘴J g I 别照,它 们分别为而心立方会属银的 I l I 、 2 0 0 、 2 2 0 、 3 1 1 、 2 2 2 5 个品㈣的衍射峰,无其匕杂质峰,这丧 叭所制备的样。I 为帅h ,方结构的l 弘干纳水银粉 一 2 Ⅳ/f ” 图9 银粉的X 射线衍射图 3 结沦 挪3 2 巷 1 以A g 的E D T A 络合溶液替代A g N O ,溶液,采 用连.、I F 硫酸钠作还n j l 剂制备纳米银粉.0 商接还原 A g N O 、溶液州比,采川 g E ⋯’A 络合溶液制得的银粉 粒径叫{ | l - 减小,银粉卫类球形,粒度均匀、分散良好 2 通过条什试验探索得到制箭纳米银粉的最优 条件为A g E D ,| 1 A 络合溶液浓度0 .0 0 5m o l /I .,E 1 T A 过壮l %,p l i 仉I1 .5 ,还原剂浓度 J .0 0 7 5m o l /I ,,搅 拌转速4 0 0r /m i n ,反腑温度5 0 ℃,还原刹滴』儿I 速度 0 .0 6m L /s ;制i 8 银籽} 的、F 均粒j ≠约为5 81 1 1 1 1 ,X R D 钡I 试分析农Ⅲ1 所制帑的银粉为单栩m b 妒方结构的银。 参考文献 三{ ㈣川 ~叭~ 一呲猢篓 燮蠹触。豁抵裟w 枞 ㈨州㈣一岫 - | 川~ 纳小⋯呻剐w⋯肌 。啪~ 等气一Ⅲ蛳_三州 怵~m虢赫零鼍一裟 “圳H~删-至蚓Ⅲ川_三圳却三。_至n_耋呲n⋯川州 眠删一㈣。“~啡m耋一州燮笺娑 万方数据 第4 期张哑辉等连■亚硫酸铺还原制备纳米银粉 7 7 2 6 7 3 6 5 ] 李敏娜,罗青枝,安静,等纳米银粒子制备及应用研究进展 f J ] 化T 进胜.2 0 0 8 .2 7 1 I 1 7 6 5 一1 7 7 1 6 1 b I e m i s y a nH HL e eJHA ⋯a o de f f , w t i v ec h e m i c a lm d u e t i c m m e t b o dI b rp r e p a r a l i n n Mn a n o s i z e ds i l v e rp o w d e ra n dc o l l o i dd l s p e r s i o n [ J ] M a t e r i a l sR e s e a r c hB u l l e t i n .2 0 0 3 3 8 9 4 9 9 5 6 7 ] 朱永辉,粱工英,张秋利.等球形纳米银粉的制备研究[ J ] .稀 柏金属材料与j 。程,2 0 0 7 ,3 6 4 7 0 9 7 1 2 8 1 徐惠,曲晓日} 『,袒钧,等乙二醇水热还原法制备纳米银[ J ] 贵金属,2 0 0 6 ,2 7 3 2 2 2 5 9 ]肖旺钏。赖文忠.郁先湿,等乙二醇法合成稳定纳米银溶胶的研 究[ J ] 化学世界,2 0 0 9 .5 0 5 2 5 7 2 5 9 上接第1 0 8 页 参考文献 [ 1 ] 张M i 德纳米生物材料学[ M ] 北京化学化工出版挂,2 0 0 5 [ 2 fS a r a n y aN ,S a r a v a n a nS .M 0 0 n h lA ,e ta t E n h a n c e dO s t e o b l a s tA d h c s i o no nP o l y m e r i cN a n o s c a f f o l d sf o rB o n eT i s s u eE n g i n e e r i n g 【J ] J n u m a lo fB i o m e d i c a lN a n o t e c h n o l o g y ,2 0 1 】,7 2 2 3 8 2 4 4 1 3J 李敏,张厚安,李麓华,等H A /P L G A 复合材料的凝胶浇铸法 制备I 艺研究[ J ] 矿冶工程,2 0 0 8 ,2 8 2 9 4 9 6 [ 4 ] 5 u j a l h aP u s h p a k a n t h ,B a l a j iS r i n i v a s a n ,S r e e d h a rB ,e ta t A ni ns i L Ja p p r o a c h ⋯p r e p a r en a n o n x l so ft i t a n i ah d r o x y a p a t i t e T i 0 2 一H p n a n t ”o m p o a l t eb ym i c r o w s v eh y d m t h e m l a ll e e h n i q u e [ J ] g l a l e r i a I s C h e m i s t r ya n dP h y s i c s ,2 0 0 8 ,1 0 7 2 /3 .4 9 2 4 9 8 [ 5 ]张厚安,李敏,唐思义.等骨组织工程用多孔H A 生物材料的 制备rJ ] 材料导报,2 0 0 8 ,2 2 2 1 1 0 1 1 2 [ 6 ] j 付东鼬B i o m a t e r i a l sa n dI _ i s s u eE n g i n e e r i n g 生物材料与组织丁 碰 [ M ] 北京.清华大学出版社,2 0 0 4 . 上接第1 1 2 页 参考文献 [ I ] A 啸虎,郑H 升,儡简淼巾高温锻烧传艇介质对其本身性能影 响的研究[ J ] 超碰材料r 程,2 0 0 8 ,2 0 2 4 2 4 8 [ 2 ],} 金龙,邱亮斌.程真,等急缺矿种金刚石台成固体街封传压 介质叶蜡石资源肝世研究及其i 土策[ J ] 地球科学进展,2 0 0 0 .1 5 4 4 7 7 4 7 8 f3 1f r 秦生,左宏森合成J { 、机和腔体大型化灶金刚打制造、i k 发展的 必然趋势[ J ] 新材料产业,2 0 1 0 I 3 4 3 6 [ 4 ] 土光祖超硬材料[ M ] 郑州河南科学技术出版社,1 9 9 7 5 ] 郝兆E ,贾攀,卢灿华,等高温高压条件下蜡石的相变[ J ] 垒刚石与磨料模具J 维,2 0 0 3 ,1 3 5 3 5 9 6 2 . 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