[发明专利]控制金属纳米结构形态的方法

说明书

相关申请的引用

本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2009年8月25日提交的第61/275,093号美国临时专利申请的权益，该申请以其整体内容通过引用并入本文。

背景

本申请涉及在以溶液为基础的合成中制备金属纳米线的方法，同时涉及控制所述金属纳米线的产率和形态的方法。

相关技术的描述

纳米级材料(或纳米材料)与其类似的块状材料明显不同。特别地，纳米材料的物理和化学性质与其尺寸、形状和形态密切相关。因此，材料科学家集中其精力开发用于制造具有可控的形态(包括形状和尺寸)的纳米材料的简单和有效方法，从而修改其性能。

以溶液为基础的合成(还称为“多元醇”合成)在金属纳米结构的大规模生产中相当有效。参见例如，Sun，Y.等人，(2002)Science，298，2176；Sun，Y.等人，(2002)Nano Lett.2，165；Sun，Y.等人，(2002)Adv.Mater.14，833；Kim，F.等人，(2004)Angew.Chem.Int.Ed.116，3759；和第2005/0056118号美国公开申请。多元合成包括在聚(乙烯基吡咯烷酮)(“PVP”)的存在下，通过多元醇(例如，乙二醇)还原金属纳米结构的前体(例如，金属盐)。通常，在不大于200℃的温度下进行还原。多元醇通常发挥溶剂和还原剂的双重功能。通常，所形成的纳米结构的形态(包括形状和尺寸)受包括PVP和金属盐的相对量、PVP和金属盐的浓度、反应时间和反应温度的参数影响。

根据该方法，已经获得包括纳米管、纳米线、纳米棱锥(nanopyramids)和多重孪晶粒子的多种形态的金属纳米结构。然而，多元合成的常见问题是产生若干形状纳米结构的混合物。所述问题由于该方法的再现性差而复杂化，其可能由合成组分中的痕量污染物引起。参见例如，Wiley，B.等人，(2004)Nano Lett.4(9)，1733-1739。

已经在努力修改多元合成以形成均匀形状和尺寸的纳米结构。例如，将痕量氯化物加入至“多元醇”方法产生单晶截角的立方体和四面体。参见例如，Wiley，B.等人，(2004)Nano Lett.4(9)，1733-1739。在“多元醇”方法中使用晶种物质(例如，铂或银纳米颗粒)产生高长宽比(约1000)的均匀银纳米线。Sun，Y.等人，(2002)Chem.Mater.14，4736-4745。然而，于现有方法中仍然存在产生混合纳米结构的问题(例如，在银纳米线中伴随着形成银纳米颗粒)。因此，必须有另外的分离步骤以获得单分散的纳米结构。

本领域亟需以有效和可重现方式制造具有可控形状和尺寸的纳米结构。

简述

本文描述了通过调整多元醇合成的反应条件来控制金属纳米线形态的方法。特别地，通过使用惰性气体吹扫反应能够实现批次间一致性。

一个实施方案提供了制备金属纳米线的方法，其包括：

(a)通过在反应器中将多元醇溶剂、封端剂和离子添加剂合并来提供第一反应混合物；

(b)在吹扫时间内使用惰性气体吹扫所述第一反应混合物；

(c)在步骤(b)之后，通过将所述第一反应混合物与金属盐合并来提供第二反应混合物；以及

(d)通过还原所述金属盐来提供多个金属纳米结构，其中所述多个金属纳米结构包含第一产率的金属纳米线。

在一些实施方案中，所述方法包括在步骤(b)之前将第一反应混合物加热至预设反应温度。

在某些实施方案中，吹扫所述第一反应混合物包括吹扫所述反应器并在所述第一反应混合物的上表面之上形成惰性气体层。在其它实施方案中，吹扫所述第一反应混合物包括对所述第一反应混合物进行喷射(即，将惰性气体直接注射进入第一反应混合物中)。

在多个实施方案中，提供所述多个金属纳米结构包括还原所述金属盐同时吹扫所述第二反应混合物。

在某些实施方案中，所述多元醇溶剂为乙二醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇或丙三醇，所述封端剂为聚(乙烯基吡咯烷酮)，所述离子添加剂提供氯离子(例如，四烷基氯化铵)。

在优选的实施方案中，所述金属盐为银盐且所述金属纳米线为银纳米线。在其它实施方案中，所述通过权利要求的方法制备的多个金属纳米结构包含至少80％的金属纳米线。

在多个实施方案中，调整所述吹扫时间使金属纳米结构具有不同形态，和/或使金属纳米线具有不同产率。

其它实施方案提供了方法，其包括：