金属纳米颗粒的合成：解锁先进材料特性

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金属纳米颗粒
术语“金属纳米颗粒”用于描述尺寸（长度、宽度或厚度）在 1-100 nm 范围内的纳米尺寸金属。金属纳米粒子表现出的特性与单个原子、表面或块体材料的特性截然不同。 MNP 的主要特征是与体积当量相比具有较大的表面积与体积比、较大的表面能、作为分子和金属态之间的过渡而存在，提供特定的电子结构（局域态密度 LDOS）、具有等离激元激发、量子限制、短程有序、增加的扭结数量、包含大量的低配位位点（例如角和边缘）、具有大量的“悬空键”，因此具有特定的化学性质和储存多余电子的能力。
它们的潜在应用包括例如在生物化学、催化、化学和生物传感器、纳米电子学和纳米结构磁性系统中的应用。
合成
化学方法包括金属盐化学还原法、醇还原法、多元醇法、微乳液法、金属盐热分解法和电化学合成法。物理方法包括爆炸丝技术、等离子体、化学气相沉积、微波辐射、脉冲激光烧蚀、超临界流体、声化学还原和伽马辐射。
稀溶液中金属配合物的还原是合成金属胶体分散体的通用方法，并且已经开发了多种方法来引发和控制还原反应。在大多数情况下，单尺寸金属纳米粒子的形成是通过低浓度溶质和粘附在生长表面上的聚合物单层的组合来实现的。低浓度和聚合物单层都会阻碍生长物质从周围溶液扩散到生长表面，并且扩散过程可能是初始核后续生长的速率限制步骤，导致形成均匀尺寸的纳米颗粒。
前体和试剂
在金属纳米颗粒的合成中，或更具体地，在金属胶体分散体的合成中，使用各种类型的前体、还原剂、其他化学品和方法来促进或控制还原反应、初始成核和初始核的后续生长。前体包括：元素金属、无机盐和金属络合物，例如Ni、Co、HAuCl 4 、H、PtCl、RhCl和PdCl 2 。还原剂包括：柠檬酸钠、过氧化氢、盐酸羟胺、柠檬酸、一氧化碳、磷、氢气、甲醛、甲醇水溶液、碳酸钠和氢氧化钠。
其他合成方法
金属纳米颗粒还可以通过电化学沉积方法来制备，该方法使用仅包含金属阳极和金属或玻璃碳阴极的简单电化学电池。该电解质由四烷基卤化铵的有机溶液组成，它也可用作所生产的金属纳米颗粒的稳定剂。在施加电场时，阳极发生氧化溶解，形成金属离子，金属离子会向阴极迁移。铵离子对金属离子的还原导致金属纳米颗粒在溶液中成核并随后生长。通过该方法，可以生产直径范围为1.4至4.8 nm的Pd、Ni和Co纳米颗粒。
金纳米颗粒
长期以来，胶体金已被广泛研究。 1857年法拉第发表了关于胶体金的制备和性质的综合研究。人们已经开发了多种合成金纳米粒子的方法，其中，100℃下柠檬酸钠还原氯金酸已开发了50多年，并且仍然是最常用的方法。
纳米银
已经开发了多种方法用于形成银纳米颗粒。 Ag纳米颗粒的合成可以通过含有AgClO4、丙酮、2-丙醇和各种聚合物稳定剂的水溶液的紫外照射来实现。紫外线照射通过丙酮的激发产生羰基自由基，随后从2-丙醇中夺取氢原子，并且羰基自由基可以进一步发生质子解离反应。羰基自由基和自由基阴离子都与银离子反应并将银离子还原成银原子。
该反应反应速率低，有利于单尺寸银纳米粒子的产生。在聚乙烯亚胺作为聚合物稳定剂的存在下，利用上述光化学还原过程形成的银纳米颗粒的平均尺寸为7nm，且尺寸分布较窄。
尽管聚合物稳定剂在金属纳米颗粒的合成中起着非常重要的作用，但它们可以在不使用任何聚合物稳定剂的情况下制备。银纳米颗粒可以使用市售的一组溶液来制备。无需添加任何稳定剂，可以使用尺寸为20-30 nm的银纳米粒子的水分散体来合成。分散体可能通过静电稳定机制而稳定。然而，颗粒尺寸敏感地取决于合成温度。温度的微小变化都会导致金属纳米颗粒的直径发生显着变化。