气-液微等离子体制备贵金属纳米材料及其应用

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贵金属纳米材料因其独特的光学、电学、生物学、催化等特性而被广泛应用各种领域。传统纳米材料的制备方法不可避免涉及化学还原剂的使用或耗时/耗能的步骤,这无疑阻碍了高质量纳米材料的制备及应用。针对这些弊端,本文首先构建了一种高压直流电驱动的气-液微等离子体技术,并基于此技术制备了一系列贵金属纳米材料。针对制备贵金属纳米材料所特有的性质,探索了它们在不同前沿领域的应用。此外,为了满足日益增长的工艺自动化和连续化的需求,进一步改进了气-液微等离子体技术,通过将其与微流体技术耦合得到了“微流等离子体”装置。改进的装置不仅可用于纳米材料的连续化制备,而且可以在线实现参数及纳米材料组分的调控。主要研究内容与结论如下:基于大气压气-液微等离子体技术制备了银纳米颗粒(Ag NPs),并研究了其与Gemini表面活性剂(四亚甲基-α,ω-双(十二酰氧乙基二甲基溴化铵))形成复配体系的协同抗菌性能。结果证明制备的Ag NPs纯度高、结晶度良好和粒径分布窄。通过改变前驱体浓度、反应时间和等离子体功率可以实现Ag NPs产量和粒径的调控。当Ag NPs与Gemini表面活性剂复配后,体系中会形成类胶束结构,使Ag NPs的平均粒径由~10 nm进一步稳定到4.53 nm。同时,复配体系对大肠杆菌(E.Coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)都表现出协同抗菌效应。以葡萄糖作为功能化试剂,HAu Cl4作为金源,在气-液微等离子体作用下得到了葡萄糖修饰的金纳米颗粒(G-Au NPs)。G-Au NPs表面含有大量的羟基(-OH)、羧基(-COOH)官能团。基于-OH、-COOH基团对Pb2+的亲和力和Au NPs独特的表面等离子体共振效应(SPR),把所制备的G-Au NPs用于水溶液中Pb2+检测的比色传感器,结果表明G-Au NPs对Pb2+的检测具有p H依赖性、快速响应性、特异选择性和实际应用性。在气-液微等离子体作用下,通过改变H2Pt Cl6和碳黑的比例制备了不同负载量的铂碳纳米颗粒(Pt/C NPs)。首先验证了等离子体放电过程仅需10 W即可稳定运行。制备Pt/C NPs过程中等离子体介质可以赋予纳米颗粒表面电荷,使得Pt NPs(2~4 nm)均匀地负载在碳载体上。同时,Pt/C NPs中含有丰富的含氧官能团,这些特性都增加了Pt/C NPs中的活性位点。因此,当Pt/C NPs作为电催化剂时,不仅表现出了优于商业Pt/C NPs的电化学活性和甲醇氧化性能,而且在碱性/酸性介质中都具有良好的析氢活性。为了实现基于气-液微等离子体技术对纳米材料的连续可控化制备。论文进一步探索了一种通过T型石英管耦合微流体和微等离子体技术的新工艺—“微流等离子体”。以Ag NO3和HAu Cl4溶液为反应物,证明了所提出的工艺可以实现银金合金纳米颗粒(Ag-Au NPs)的连续化制备,并且可以在线调整Ag-Au NPs的组成。然后,用结晶紫(CV)和罗丹明6G(R6G)作为分析物研究了Ag-Au NPs的表面增强拉曼散射(SERS)活性。实验发现,Ag-Au NPs具有显著的拉曼增强效应,对CV和R6G的检测限分别低至10-8M和10-10 M,并且Ag-Au NPs修饰的SERS基底具有良好重现性和稳定性。
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