纳米材料制造技术

一种用于制备贵金属纳米材料的方法，包括：(A)将贵金属离子源的水溶液和还原剂加入到有机化合物的水溶液中，形成反应混合物，其中该有机化合物能够在水溶液中进行2D平面堆叠；以及(B)从该反应混合物中分离该贵金属纳米材料。本申请还涉及根据该方法制造的贵金属纳米材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】纳米材料
本专利技术涉及一种用于制备贵金属纳米材料的方法以及贵金属纳米材料本身。
技术介绍
最高数个原子层厚但具有更大横向面积的二维(2D)纳米材料激发了巨大的研究兴趣。以石墨烯为例，由于厚度较低但面积较大，2D纳米材料具有独特的电子、机械和表面相关性质。独立式超薄2D金属纳米结构具有广泛的潜在应用。与3维(3D)材料相比，暴露活性金属位点的增加赋予了其较高的催化活性。此外，2D金属纳米结构的电阻率较低，在电池和电子器件中也具有潜在应用。2D金属纳米结构也可用于表面等离子共振技术。表面等离子共振是许多技术的基础原理，包括光学传感、半导体光学吸收增强和其它基于颜色的生物传感器技术。该技术具有潜在的医学应用，包括用于癌症治疗的光热疗法。目前用于2D金属纳米材料的生产方法可以大体上分为物理和化学方法。物理方法包括使用高温和高压条件进行压缩，以及通过重复折叠或压缩堆叠的金属片材反复进行尺寸缩减。这些方法目前可以获得厚度最低为0.9nm的金属纳米材料(SYang等人，Mater.Chem.Front.，2，2018，456-467)。化学技术通常涉及使用可溶性金属前体。通过使用还原剂将可溶性金属最终还原为中性金属原子来引发纳米材料生长。这些原子为纳米材料的生长提供了成核位点。许多化学技术需要使用固体基底，例如云母、二氧化硅和石墨，在其上生长金属膜。US-A-2008/166259描述了在固体基底表面上使用固定的胶束作为还原包括铂和金的贵金属的位点。该方法可形成厚度为2nm-5nm的金属纳米颗粒。纳米颗粒的厚度、形状和尺寸可通过改变表面活性剂来控制。生产不含固体基底的超薄2D金属纳米材料是一个重大的挑战。这是因为金属原子有形成高度各向同性的3D密堆叠晶格的自然趋势。通过引入限制物质可以抑制这种自然趋势，从而诱导各向异性生长，这对于2D金属纳米结构的生产是必需的。迄今为止，已有一系列合成策略采用多种限制物质来阻止初级金属核的自由生长并促进2D各向异性生长。这些限制物质包括表面活性剂(例如选择性结合到低折射率金属表面上的聚合物和活性气体)和模板(例如层状水凝胶、石墨烯和石墨烯衍生物)。已成功使用聚(乙烯基吡咯烷酮)聚合物载体合成了具有0.4nm的报道厚度的超薄Rh纳米片(Y.Li等，Nat.Commun.，5，2014，3093)。然而，该方法需要很高的反应温度。Au纳米片也已通过利用衣康酸十二烷基甘油酯(DGI)的层状双层结构制备。通过改变DGI的浓度以影响层状结构中双层的间距，纳米片的厚度可在几纳米至几十纳米之间调整。(J.Jin等，J.Am.Chem.Soc.，135，2013，12544-12547)。然而，该方法不能产生原子级厚度的金属纳米结构。
技术实现思路
本专利技术寻求通过提供独立式(即无基底)金属纳米结构(例如超薄纳米片)的湿法化学合成来改进贵金属纳米材料的形成。根据第一方面，本专利技术提供了一种用于制备贵金属纳米材料的方法，包括：(A)将贵金属离子源的水溶液和还原剂加入到有机化合物的水溶液中，形成反应混合物，其中该有机化合物能够在水溶液中进行2D平面堆叠；以及(B)从该反应混合物中分离该贵金属纳米材料。通常，纳米材料的特征在于存在(优选地主要存在)具有一个超薄的维度(例如其厚度)的纳米结构。例如，在数量尺寸分布上可有50％或更多的纳米结构具有一个超薄的维度。纳米材料的特征可以在于存在(优选地主要存在)选自纳米薄片、纳米膜、纳米板、纳米片(例如原子级厚度的纳米片)及其分级超结构(例如纳米片材的超结构，例如准球形)的纳米结构。在优选的实施方案中，纳米材料的特征在于存在(优选地主要存在)纳米片。纳米片可具有原子级厚度。通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度可不大于贵金属的原子半径的15倍(例如根据J.C.Slater，J.Chem.Phys.，41，1964，3199-3205的经验测量)。优选地，通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度不大于贵金属的原子半径的10倍(例如根据J.C.Slater，J.Chem.Phys.，41，1964，3199-3205的经验测量)。特别优选地，通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度不大于贵金属的原子半径的6倍(例如根据J.C.Slater，J.Chem.Phys.，41，1964，3199-3205的经验测量)。通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度可不大于8个原子层。优选地，通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度不大于5个原子层。特别优选地，通过原子力显微镜(AFM)测量的纳米片的厚度不大于3个原子层。纳米片的平均厚度可以是0.50nm或更小(通过原子力显微镜(AFM)测量)。优选地，所述纳米片的平均厚度在0.40nm至0.50nm的范围内。纳米片的厚度分布(通过原子力显微镜(AFM)测量)可以在0.26nm至0.54nm的范围内。在优选的实施方案中，纳米材料的特征在于存在(优选地主要存在)纳米板(例如单晶纳米板)。纳米板的平均厚度可以是5nm或更大(通过原子力显微镜(AFM)测量)。纳米板的平均边长可以是100nm或更大(通过TEM测量)。贵金属纳米材料可以是单质或合金。贵金属可以是选自金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)、铱(Ir)、锇(Os)、钌(Ru)、钯(Pd)和铑(Rh)的元素。优选地，贵金属是Au或Pt。特别优选地，贵金属是Au。贵金属离子源可以是贵金属化合物。贵金属化合物可以是有机金属化合物。贵金属化合物可以是酸性化合物。贵金属化合物可以是贵金属卤化物。优选地，贵金属化合物是贵金属氯化物(例如HAuCl4)。还原剂可以是柠檬酸盐/酯(例如柠檬酸的盐或酯)。还原剂可以是第I族或第II族金属柠檬酸盐。优选地，反应混合物中还原剂与贵金属离子源的摩尔比小于15。特别优选地，反应混合物中还原剂与贵金属离子源的摩尔比在8至12的范围内。优选地，有机化合物的分子在水溶液中自缔合或自组装。优选地，有机化合物能够在水溶液中形成板状堆叠。优选地，有机化合物能够提供在两个正交方向上(例如，沿着x和y轴)的分子间相互作用。分子间相互作用可以是在x-y平面中的疏水相互作用和在z方向上的π-π相互作用。优选地，有机化合物具有对贵金属离子的亲和力。这种亲和力可归因于金属-π相互作用和/或螯合作用。有机化合物可进行氢键键合。有机化合物的分子可包含至少一个杂原子。优选地，有机化合物是有机两亲性分子。在优选的实施方案中，有机化合物的分子包含刚性芳族部分、亲水性部分和疏水性部分。优选地，有机化合物具有以下分子式：其中：R是氢或CnH2n+1部分，其中0＜n≤6；R'是CmH2m+1部分，其中0＜m≤6；Z是键或二氮烯基或二氮烯基苯连接部分；并且Y是含羧基、含羰基、含羟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制备贵金属纳米材料的方法，包括：/n(A)将贵金属离子源的水溶液和还原剂加入到有机化合物的水溶液中，形成反应混合物，其中所述有机化合物能够在水溶液中进行2D平面堆叠；以及/n(B)从所述反应混合物中分离所述贵金属纳米材料。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181121 GB 1818923.31.一种用于制备贵金属纳米材料的方法，包括：
(A)将贵金属离子源的水溶液和还原剂加入到有机化合物的水溶液中，形成反应混合物，其中所述有机化合物能够在水溶液中进行2D平面堆叠；以及
(B)从所述反应混合物中分离所述贵金属纳米材料。


2.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米材料的特征在于存在纳米片。


3.根据权利要求2所述的方法，其中通过原子力显微镜(AFM)测量的所述纳米片的所述厚度不大于所述贵金属的原子半径的6倍。


4.根据权利要求2所述的方法，其中通过原子力显微镜(AFM)测量的所述纳米片的所述厚度不大于3个原子层。


5.根据权利要求2所述的方法，其中所述纳米片的所述平均厚度在0.40nm至0.50nm的范围内。


6.根据权利要求1所述的方法，其中所述纳米材料的特征在于存在纳米板。


7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述贵金属是Au。


8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述有机化合物是有机两亲性分子。


9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·德里克·埃文斯，叶孙杰，亚历山大·弗雷德·马卡姆，帕特里夏·路易斯·科莱塔，
申请(专利权)人：利兹大学，
类型：发明
国别省市：英国;GB