基于MACl/MABr成核剂的银纳米线合成工艺研究

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银纳米线(AgNWs)具有高导电性、透光性以及可弯曲性等优点,在半导体和光电显示等领域具有广泛的的应用价值。目前,银纳米线的合成主要有模板法、水热法、紫外线照射法、溶剂热法、多元醇合成法等。多元醇合成法具有工艺简单、成本低、产率高等优点,因此成为银纳米线最普遍的合成方法。然而,在一般条件下,多元醇合成法制备直径低于40 nm的AgNWs仍然存在困难。本论文基于MACl和MABr,对多元醇合成银纳米线工艺进行了改进和优化。进一步探讨了有机成核控制剂影响银纳米线形貌和直径的机理,并揭示了 MACl和MABr二元成核控制剂在银纳米线合成过程中的协同机制。通过改变有机成核控制剂的添加方式和种类,成功合成了直径30 nm左右的均匀AgNWs。具体研究内容如下:首先,研究了多元醇合成法中反应温度、PVP分子量、PVP与AgNO3的摩尔比和助剂浓度对AgNWs生长形貌的影响规律。研究表明合适的反应温度会促进孪晶晶核的形成,一定浓度的大分子量PVP可以有效钝化银纳米线的侧面,适当浓度的CuCl2·2H2O可以有效调控体系中游离Ag+的数量,减慢AgNO3还原过程动力学。通过对产物的SEM表征结果对比表明:反应温度为170℃,PVP 分子量为 1300000,PVP 与 AgNO3 的摩尔比为 7.5:1,CuCl2·2H2O的浓度为 20 μM可以作为在无机成核控制剂参与情况下所制备银纳米线的最优合成工艺,由此得到的AgNWs,其形貌更均匀,平均直径大约为85 nm。其次,使用MACl作为成核控制剂合成AgNWs。使用SEM、XRD、EDS、TEM等对合成的AgNWs进行表征,测试结果表明:当MAC1浓度为40 M时,可以合成平均直径大约60 nm的均匀AgNWs,与CuCl2·2H2O所合成的银纳米线(85 nm)相比直径更小,这表明MACl比CuCl2·2H2O能够更好地实现轴向生长控制。通过对银纳米线进行红外和TEM测试结果分析也表明:MA+可以附着在AgNWs侧面,对其有钝化效果,由此促进AgNWs的轴向生长。此外,MAC1作为离子液体,其孔隙对晶种的尺寸影响较大,可以在成核阶段生成较小的晶种,也有利于AgNWs的轴向生长。最后,将MACl和MABr作为二元成核控制剂合成AgNWs。对AgNWs进行SEM、XRD、EDS和TEM表征。测试结果表明:MACl作为单独的成核控制剂合成的AgNWs,尽管副产物较少,但是尺寸较大,其直径约为60 nm左右。MABr作为单独的成核控制剂合成的AgNWs直径更小,但因形核率的增加从而导致了副产物的生成。MACl和MABr作为二元有机成核控制剂时,Ag+可以通过分级溶解的方式释放出来,从而有效调控还原反应速率。由此,二元有机成核控制剂的添加,一方面能够有效减小AgNWs的直径,同时也避免了较多副产物的生成。研究结果表明:当MACl/MABr的摩尔比为2:1时,合成的AgNWs直径分布在30 nm-35 nm范围内的比例约为55%。
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