超细银纳米线及其制备方法与流程

2021-01-30 19:01:03|

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本发明属于纳米银技术领域，具体来说涉及一种超细银纳米线及其制备方法。

背景技术：

柔性透明导电薄膜是许多电子和光电子器件的重要组成部分，如显示器屏幕、电子皮肤和太阳能电池等。近年来，随着触控电子产品的广泛普及以及对触控屏技术日益提高的要求，人们对透明导电薄膜的需求和要求越来越高。传统的氧化锢锡(ito)材料由于资源短缺、柔韧性差、折射率高、制造工艺复杂、能耗高等问题，已经无法进一步满足新一代触控技术的发展要求，寻找新的替代材料显得尤为必要。性能优异、柔性且环境友好型的透明导电材料的市场增量空间巨大。其中，银纳米线作为ito的替代品，已经显示出与ito相当的电学和光学性能。由于银是很好的导体且性质稳定，因而银纳米线用作电极材料可以降低能耗(相对于氧化物薄膜电极)。

但是，银纳米线化学方法制备多数基于多元醇还原法，这种方法所需温度较高，耗能较大，成本高，对环境不友好，并且使用的有机生长溶液增加了银纳米线后序处理的复杂性和废物处理的成本。因此，通过环境友好型的制备方法制备银纳米线，以及低成本地制备具有高透明度、低表面电阻、低光散射等优异性能的柔性导电薄膜成为其在触摸显示、电子皮肤、太阳能电池、电磁屏蔽等应用的关键所在。

另一方面，传统银纳米线的制备多为一锅法，很难实现银纳米线直径和长度的控制和调节。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种超细银纳米线的制备方法，该制备方法可以将银纳米线的成核和生长分开，首先通过生成的十面体种子来调节银纳米线的直径，然后通过种子的进一步生长来调节银纳米线的长度，即将十面体种子加入到生长溶液d中，在一定温度生长成为不同长度的超细银纳米线，超细银纳米线的直径由十面体种子中十面体的尺寸(边长)决定(即超细银纳米线的直径与十面体种子中十面体的边长相同)，其长度由生长溶液d中硝酸银物质的量和重复生长的次数来决定。

本发明的另一目的是提供上述制备方法获得的超细银纳米线。

本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，所述生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到所述生长溶液d，其中，按物质的量份数计，所述第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为(1～100)：(1～100)：(1～500)，所述第一表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮的一种或多种的混合物；

在所述步骤1)中，所述生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为0.1～100mm；

2)将十面体种子与所述生长溶液d搅拌均匀，得到混合溶液e，将所述混合溶液e放入气浴恒温振荡器中0.5～72h直至溶液颜色变为灰色或者灰绿色，离心后抽走上清液，得到沉积物为银纳米线f，其中，所述气浴恒温振荡器的温度为5～90℃，所述气浴恒温振荡器的摇床速度为10～2000rpm；

在所述步骤2)中，按体积份数计，所述十面体种子和生长溶液d的比为(1～10)：(10～100)。

在所述步骤2)中，所述十面体种子为十面体金种子、十面体银种子和十面体钯种子中的一种或多种的混合物。

所述十面体金种子的制备方法为：将1～50物质的量份数的氯金酸、1～100物质的量份数的硝酸银、500～5000物质的量份数的第二表面活性剂和1～500物质的量份数的第一多元醇混合均匀，于100～300℃保温0.1～10个小时，得到所述十面体金种子，所述第二表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮的一种或多种的混合物，所述第一多元醇为乙二醇和/或二乙二醇；

所述十面体银种子的制备方法为：将1～100物质的量份数的硝酸银、500～5000物质的量份数的第三表面活性剂和1～500物质的量份数的第二多元醇混合均匀，于100～300℃保温0.1～10个小时，得到所述十面体银种子，其中，所述第三表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种的混合物，所述第二多元醇为乙二醇和/或二乙二醇；

所述十面体钯种子的制备方法为：将1～50物质的量份数的钯盐、500～5000物质的量份数的第四表面活性剂和1～500物质的量份数的第三多元醇混合均匀，于100～300℃保温0.1～10个小时，得到所述十面体钯种子，其中，所述钯盐为四氯钯酸钠或四氯钯酸钾，所述第四表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵、十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种的混合物；所述第三多元醇为乙二醇和/或二乙二醇；

在上述技术方案中，在所述十面体金种子的制备方法中，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为55000。

在上述技术方案中，在所述十面体银种子的制备方法中，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。

在上述技术方案中，在所述十面体钯种子的制备方法中，所述聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为30000。

3)将银纳米线f重复以下步骤n次，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器0.5～72h直至溶液颜色变为灰色或者灰绿色，离心后抽走上清液，其中，所述气浴恒温振荡器的温度为5～90℃，所述气浴恒温振荡器的摇床速度为10～2000rpm；

在所述步骤3)中，将1～10体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入10～100体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器0.5～72h直至溶液颜色变为灰色或者灰绿色，离心后抽走上清液。

在上述技术方案中，所述离心的转速为500～5000rpm。

上述制备方法获得的超细银纳米线。

在上述技术方案中，在所述步骤3中，超细银纳米线的长度l(μm)和n+1呈线性关系，线性关系的公式为：l＝k(n+1)，其中，k为0.5～10的常数。l只与生长溶液d中硝酸银的物质的量有关，与十面体种子的类型、第一～第四表面活性剂的种类以及第一～第三多元醇的种类无关。

在上述技术方案中，所述超细银纳米线的直径为20～100nm，长度为1～30μm。

相比于现有技术，与通常制备银纳米线的多元醇还原法相比，本发明制备方法是在水相体系中进行的，在银纳米线生长过程中不使用有机溶剂，不需要对制备过程中有机废液进行处理，并且生长时的温度较低(小于100℃)，因此其成本可以被显著降低并且对环境友好。另外，其耗能低、工艺简单，有利于大规模应用。该制备方法获得的超细银纳米线能够实现直径和长度的调节，其直径调节范围为20～100nm，长度调节范围为1～30μm。

附图说明

图1为扫描电镜图，其中，图1(a)为实施例1-1制备方法中十面体金种子(十面体边长约50nm)的扫描电镜图，图1(b)为实施例1-3制备方法中十面体银种子(十面体边长约50nm)的扫描电镜图，图1(c)为实施例3制备方法中十面体钯种子(十面体边长约50nm)的扫描电镜图，图1(d)为实施例2制备方法中十面体金种子(十面体边长约20nm)的扫描电镜图；

图2为透射电镜图，其中，图2(a)为十面体金种子(十面体边长约50nm)的透射电镜图，图2(b)为十面体银种子(十面体边长约50nm)的透射电镜图，图2(c)为十面体钯种子(十面体边长约50nm)的透射电镜图；

图3为实施例1-1制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，3(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，3(b)为n＝1时银纳米线的的扫描电镜图，3(c)为超细银纳米线(n＝4)的扫描电镜图；

图4为实施例1-2制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，4(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，4(b)为超细银纳米线(n＝4)的扫描电镜图；

图5为实施例1-3制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，5(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，5(b)为超细银纳米线(n＝4)的扫描电镜图；

图6为实施例2制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，6(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，6(b)为超细银纳米线(n＝5)的扫描电镜图；

图7为实施例3制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，7(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，7(b)为超细银纳米线(n＝9)的扫描电镜图；

图8为实施例4制备方法中银纳米线的扫描电镜图，其中，8(a)为银纳米线f的扫描电镜图(n＝0)，8(b)为超细银纳米线(n＝4)的扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

下述实施例中所涉及的药品和购买源如下：

实施例1-1

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到生长溶液d，其中，生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为50mm；按物质的量份数计，第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为3：30：50，第一表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵；

2)将1体积份数的十面体种子与20体积份数的生长溶液d搅拌均匀，得到混合溶液e，将混合溶液e放入气浴恒温振荡器中12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，离心管得到沉积物为银纳米线f，其中，气浴恒温振荡器的温度为60℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm；

在步骤2)中，十面体种子为十面体金种子，如图1(a)(sem)和2(a)(tem)所示。十面体金种子(边长约50nm)的制备方法为：将17物质的量份数的氯金酸、50物质的量份数的硝酸银、2500物质的量份数的第二表面活性剂和200物质的量份数的第一多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于170℃保温5个小时，得到十面体金种子，第二表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵，第一多元醇为二乙二醇；在十面体金种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为55000。

3)将1体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次(n＝4)，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入20体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，其中，气浴恒温振荡器的温度为60℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm。

经测试，银纳米线f的直径约为50nm、长度约为1μm，如图3(a)所示；当n＝1时，银纳米线的直径约为50nm、长度约为2μm，如图3(b)所示；超细银纳米线(n＝4)的直径约为50nm、长度约为5μm，如图3(c)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数1。

实施例1-2

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到生长溶液d，其中，生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为50mm；按物质的量份数计，第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为3：30：50，第一表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵；

在步骤2)中，十面体种子为十面体金种子。十面体金种子(边长约50nm)的制备方法为：将17物质的量份数的氯金酸、50物质的量份数的硝酸银、2500物质的量份数的第二表面活性剂和200物质的量份数的第一多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于170℃保温5个小时，得到十面体金种子，第二表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵，第一多元醇为乙二醇；在十面体金种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为55000。

经测试，银纳米线f的直径约为50nm、长度约为2μm，如图4(a)所示；超细银纳米线(n＝4)的直径约为50nm、长度约为10μm，如图4(b)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数2，并且通过与实施例1-1进行比较，发现l只与生长溶液中硝酸银的物质的量有关，与表面活性剂的种类以及多元醇的种类无关。

实施例1-3

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到生长溶液d，其中，生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为80mm；按物质的量份数计，第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为7：30：50，第一表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵；

2)将1体积份数的十面体种子与20体积份数的生长溶液d搅拌均匀，得到混合溶液e，将混合溶液e放入气浴恒温振荡器中8h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，离心管得到沉积物为银纳米线f，其中，气浴恒温振荡器的温度为70℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为1000rpm；

在步骤2)中，十面体种子为十面体银种子(边长约50nm)，如图1(b)(sem)所示和2(b)(tem)。十面体银种子的制备方法为：将33物质的量份数的硝酸银、3000物质的量份数的第三表面活性剂和200物质的量份数的第二多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于150℃保温7个小时，得到十面体银种子，其中，第三表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵，第二多元醇为乙二醇；在十面体银种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为1300000。3)将1体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次(n＝4)，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入20体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，其中，气浴恒温振荡器的温度为60℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm。

经测试，银纳米线f的直径约为50nm、长度约为4μm，如图5(a)所示；超细银纳米线(n＝4)的直径约为50nm、长度约为20μm，如图5(b)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数4，并且l只与生长溶液中硝酸银的物质的量有关，与十面体种子的种类无关。

由实施例1-1～1-3可知，l只与生长溶液中硝酸银的物质的量有关，与十面体种子的种类、表面活性剂的种类以及多元醇的种类无关。

实施例2

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到生长溶液d，其中，生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为80mm；按物质的量份数计，第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为6：30：50，第一表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵；

2)将1体积份数的十面体种子与10体积份数的生长溶液d搅拌均匀，得到混合溶液e，将混合溶液e放入气浴恒温振荡器中10h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，离心管得到沉积物为银纳米线f，其中，气浴恒温振荡器的温度为80℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm；

在步骤2)中，十面体种子为十面体金种子，如图1(d)所示。十面体金种子(边长约20nm)的制备方法为：将17物质的量份数的氯金酸、50物质的量份数的硝酸银、3000物质的量份数的第二表面活性剂和200物质的量份数的第一多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于250℃保温3个小时，得到十面体金种子，第二表面活性剂为十六烷基三甲基氯化铵，第一多元醇为二乙二醇；在十面体金种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为55000。

3)将1体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次(n＝5)，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入10体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器10h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，其中，气浴恒温振荡器的温度为80℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm。

经测试，银纳米线f的直径约为20nm、长度约为5μm，如图6(a)所示；超细银纳米线(n＝5)的直径约为20nm、长度约为30μm，如图6(b)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数5。

实施例3

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

1)制备生长溶液d，生长溶液d的制备方法为：将第一表面活性剂、硝酸银、抗坏血酸和水混合均匀，得到生长溶液d，其中，生长溶液d中第一表面活性剂的浓度为40mm；按物质的量份数计，第一表面活性剂、硝酸银和抗坏血酸的比为7：30：50，第一表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵；

在步骤2)中，十面体种子为十面体钯种子(边长约50nm)，如图1(c)(sem)和2(c)(tem)所示。十面体钯种子的制备方法为：将17物质的量份数的钯盐、2500物质的量份数的第四表面活性剂和200物质的量份数的第三多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于150℃保温8个小时，得到十面体钯种子，其中，钯盐为四氯钯酸钠，第四表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵；第三多元醇为乙二醇；在十面体钯种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为30000。

3)将1体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次(n＝9)，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入20体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，其中，气浴恒温振荡器的温度为60℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm。

经测试，银纳米线f的直径约为50nm、长度约为2μm，如图7(a)所示；超细银纳米线(n＝9)的直径约为50nm、长度约为20μm，如图7(b)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数2。

实施例4

一种超细银纳米线的制备方法，包括以下步骤：

2)将1体积份数的十面体种子与10体积份数的生长溶液d搅拌均匀，得到混合溶液e，将混合溶液e放入气浴恒温振荡器中12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，离心管得到沉积物为银纳米线f，其中，气浴恒温振荡器的温度为80℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm；

在步骤2)中，十面体种子为十面体钯种子(边长约100nm)。十面体钯种子的制备方法为：将17物质的量份数的钯盐、2500物质的量份数的第四表面活性剂和200物质的量份数的第三多元醇在试剂瓶中混合均匀，将试剂瓶于150℃保温6个小时，得到十面体钯种子，其中，钯盐为四氯钯酸钠，第四表面活性剂为聚二烯丙基二甲基氯化铵；第三多元醇为乙二醇；在十面体钯种子的制备方法中，聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为30000。

3)将1体积份数的银纳米线f重复以下步骤n次(n＝1)，得到超细银纳米线，其中，重复的步骤为：加入10体积份数的生长溶液d，搅拌均匀，置于气浴恒温振荡器12h直至溶液颜色变为灰绿色，离心后抽走上清液(离心的转速为500rpm)，其中，气浴恒温振荡器的温度为80℃，气浴恒温振荡器的摇床速度为500rpm。

经测试，银纳米线f的直径约为100nm、长度约为3μm，如图8(a)所示；超细银纳米线(n＝1)的直径约为100nm、长度约为6μm，如图8(b)所示。由此可知，银纳米线的长度l(μm)和生长次数n+1呈线性关系，可以由以下公式表示：l＝k(n+1)，其中k为常数3。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

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