[发明专利]一种制造纳米颗粒或微细颗粒的方法

说明书

相关申请的交叉引用

此申请是基于2008年1月14日提交的美国临时申请No.61/011039，本申请包含该临时申请的所有优先条款。

技术领域

本发明是关于一种制造纳米颗粒或微细颗粒的方法。

背景技术

纳米颗粒或微细颗粒是纳米科技的基本构造单元，它们被广泛研究并应用于光学感应、催化、生物标记、光学仪器、光电子、信息存储、太阳能电池以及磁流体。金属纳米颗粒的物理和化学性质主要取决于它的尺寸、形状、组成、晶体结构以及物理结构(空心或实心的)。从原理说，我们可以通过改变这些参数中的任意一个来控制纳米颗粒的性质，尤其是控制这些参数中的与尺寸相关的性质至关重要。

纳米颗粒或微细颗粒，例如金属纳米颗粒，有一系列技术和制造方法，如激光照射、等离子体沉积、蒸汽结核、水热合成、有机金属化合物的热分解、声学解析、脉冲微波解析、电化学还原、电解以及金属盐的化学还原。在适当保护气氛下金属盐的还原方法是最常用的方法之一。一般的还原剂，例如铜氰化合物、氰化酸有机铜化物、氢气，加到一种金属盐溶液中，一个易氧化的溶剂可以充当电子分隔体和分散介质。酒精及其它物质已被广泛地用作此目的。最近一本由Schmid[Schmid，G.(ED.)，2004，Nanoparticles：From Theory to Applications，WILEY-VCH，Weinheim，Germany]编辑的书总结了现代纳米颗粒或微细颗粒的合成方法。

经济地、大规模地、尺寸和形状可控以及环境友好地合成是所有这些方法的目的，然而没有一种合成方法同时达到所有这些目的。物理方法例如激光照射及等离子体沉积，能产生几乎所有种类金属的纳米颗粒或微细颗粒，但是控制很困难。此外制造合成必须是在真空条件下进行，并且昂贵。化学方法能够经济地合成，但是几乎所有化学方法必须应用还原剂，这些还原剂易反应性高，从而对环境以及生物造成威胁。有效的方法需要使用昂贵的前驱体。例如，制造铁的纳米颗粒或微细颗粒需要使用铁碳酰基。

合成纳米颗粒的另一化学方法是用电化学反应，(例如M.T.Reetz，W.Helbig，Journal of the American Chemical Society，vol.116，p.7401，1994)。两个电极及电解池构成合成系统，此类合成系统简单，合成过程简便，但是此合成方法必须使用一种特殊的活性剂作为电解质，用来稳定及保护在阴极上还原的原子，同时电解质必须在溶液中可以导电。因此整体反应时由于这些特殊的电解质所决定，反应速度慢。

一个类似的方法是电聚集(例如US Patent No.6179987issued in 2001)，此方法与上述电化学还原方法类似，但是用了一种不同的电解质。整体反应速率或者纳米颗粒的形成速率由电解质决定，也较慢。另一类似方法砷化学合成，此方法由Reisse及其同事(J.Reisse，H.Francois，J.Vandjzrcammen，et al.，Electrochimica Acta，vol.39，pp.37-39，1994)提出。电解质中的金属阳离子在阳极被施加的电流还原成金属原子，工作电极由浸没在电解池中的钛金属喇叭构成，还原出的原子在电解液中形成纳米颗粒或微细颗粒。然而这种方法速度慢，不能被大规模用于商业化生产(Y.Kehelaers，J.-C.D elpllancke，J.Reisse，Chimia，vol.54，pp.48-50，2000)。详细的比较将在下面的内容进行。

仍然需要找到一种更好、更有效、更多样化的方法，这样才可以经济地、大规模地制造广泛的纳米颗粒或微细颗粒。

发明内容

考虑到合成的普通方法过程的前述及其它问题，本发明的一个目的就是给出一种经济的化学合成方法，此方法可用来合成稳定的单质合金、多金属、导电的或半导体的导电高分子纳米颗粒或微细颗粒，也包括包裹的颗粒，同时此方法可用于大规模合成。

金属电解，被用来阐述本发明的一个例子，但本发明不仅限于金属。根据电化学原理，即金属在阳极上电解，在阴极上还原成对应的金属原子，我提出一个新的合成方法，利用电化学还原(电解)。在一个典型的电解过程中：

阳极上：M大块材料→Mn++ne-

阴极上：Mn++ne-→M原子

M大块材料是可电解的大块材料，M n+是阳离子，e-是电子，n是离子的价位，M原子是从阳离子M n+还原出来的原子。假如我们创造出来一种条件，使得前驱体M原子，相互作用并成长，这样就形成了M元素的纳米颗粒或微细颗粒。