[发明专利]一种无需还原剂快速合成金纳米颗粒的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种无需还原剂快速合成金纳米颗粒的方法，即在水力空化反应器中无需外加还原剂快速连续制备纳米级金颗粒的方法。

背景技术

工业催化领域中，金及其合金由于对氧化反应、加氢反应等均具有较好的催化性能(J.Phys.Chem.C，113(2009)17831-17839)(J.Catal.，281(2011)40-49)，因而受到人们的广泛关注。催化剂的比表面积大小是影响其催化性能的重要因素，由于纳米材料的比表面积大，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部有所不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位点相应的增加，这就使得纳米材料具备了比宏观材料更为优异的催化活性。因此将金纳米化是提高其催化效率的重要途径。

纳米级金材料传统的制备方法主要有物理方法，包括真空蒸镀法、等离子体溅射法等和化学法，包括化学还原法、微乳液法等。物理法虽然可以得到高纯度、高分散性、粒度可控的金纳米颗粒，但其设备投资相当昂贵，化学法在制得高纯度粒度可控的金纳米颗粒的同时，由于大量的引入了化学试剂而易导致环境的污染(J.Chem.Technol.Biotechnol.，84(2009)151-157)。

水力空化(Bioresour.Technol.，186(2015)246-251)是微观、瞬时、随机、多相的复杂过程，能够产生大量的能量，在空化能量利用方面，主要集中在对超声空化的研究和应用上，如利用空化诱导或加速化学反应、超声清洗、污水处理、强化传热等(Chem.Eng.J，143(2008)201-209)。

本发明利用水力空化过程产生的空化能来实现金纳米颗粒的无还原剂快速制备，操作简单，反应时间短(1～5分钟)，环境友好无试剂污染，能耗较低。

发明内容

本发明旨在提供一种在水力空化反应器中利用空化能量来快速连续还原制备金纳米颗粒和调控颗粒粒径的方法。利用本方法所制得的金纳米颗粒主要呈球形，平均粒径位于8～21nm，颗粒分散性好。

本发明所涉及的利用水力空化反应器还原制备金纳米颗粒的主要装置是由以下几部分组成：(1)真空泵(2)水力空化反应器、(3)产品收集槽。(具体装置见附图1)

首先选择加工制造水力空化反应器，搭建如图一所示的反应装置，将反应器置于甘油浴加热器中，通过加热器来调控反应器内的温度，通过真空泵调节原料液流速，然后设定工艺参数：反应温度(30～90℃)、原料液的流率(1～3L/min)。具体操作步骤如下：

(1)配制0.1～4mmol/L的金前驱体(HAuCl₄溶液)；

(2)配制一定浓度的氢氧化钠溶液(0.5～10mmol/L)用来调反应液的pH值；

(3)通过加热器来调控反应器的温度，使其保持在30～90℃。取一定体积的氢氧化钠溶液和金前驱体(HAuCl₄溶液)配置成反应液放入储存槽内，通过真空泵将反应液以一定流率(1～3L/min)持续通入到空化反应器中，在反应器出口用管路收集反应液回流到反应槽内，循环操作，一段时间后反应槽内所得反应液即纳米金溶胶。利用F30透射电子显微镜(TEM)对所得的金纳米颗粒的形貌和粒径进行观察并利用粒径统计软件Sigmascan pro4对所得到的电镜图进行粒径统计。

本发明工艺简单，操作简便，反应迅速、环境友好，能耗较低，由于采用连续制备工艺，反应易于实现规模放大，进行工业化生产。

附图说明

图1为本发明采用的反应装置流程图。

图2为本发明实制备的粒径金纳米颗粒的TEM图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：

用氢氧化钠溶液将反应液的pH调至8.4。用真空泵将2mmol/L金前驱体(HAuCl₄溶液)以1L/min的流率持续输送到喉部内径为0.8mm，主管内径6mm的水力空化反应管中，设定反应温度为室温(30℃)。所得的金纳米颗粒均为近 球形，大小均匀，有部分金纳米片，球形金纳米颗粒粒径径主要分布在8.56±2.27nm。

实施例2：

将实施例1中反应液的体积流率设定为1.5L/min，保持其他的反应条件不变，所得的纳米颗粒均为近球形，粒径主要分布在9.57±2.86nm。

实施例3：