[发明专利]负载型花状银纳米结构材料的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米结构材料的合成方法，尤其实现在基体表面一步合成具有特殊形态和微结构的银纳米结构材料，这种特殊的银纳米结构材料表现出了较强的微区表面增强拉曼散射效应。

背景技术

将纳米尺度的微小单元组建成规则、有序的结构是目前纳米技术研究领域非常热门的话题。通过这种“自下而上”的途径，我们不仅能够拓宽纳米功能材料的应用范围，而且能够成功实现纳米材料的器件化。近年来，由于银纳米结构材料具有非常独特的物理化学性能，它们在诸如光学，催化，表面增强拉曼散射(SERS)和化学生物传感等领域具有广阔的应用前景。由纳米尺度的银构建单元，如纳米颗粒、纳米棒、纳米带和纳米片等组建而成的分级银纳米结构引起了人们的广泛关注。纳米技术领域的学者们都致力于设计合理有效的合成方法，以获得具有特殊形貌、尺寸和微结构的分级银纳米结构材料。最近，人们发展了各种湿化学法，成功地合成了一些不同形貌的分级银纳米结构，如珊瑚状，雪花状，叶状，枝状，螺旋桨状和花状等。然而，要大量合成具有一定形貌和精细微结构的三维分级银纳米结构材料仍然是一个挑战。而且，如果能让它们在基体表面直接生长，制得的负载型的三维分级纳米结构在诸如SERS活性基体，超憎水表面和纳米器件等一些特殊的应用领域具有一定的优势。而这对湿化学来讲是很难实现的。

研究表明，电化学技术是一种在基体表面直接生长分级纳米结构的好途径。目前，电化学方法已经被用来制备了一些具有复杂几何形貌的负载型银纳米结构，如纳米盘阵列，微米岛，花状图案，鱼骨状，树枝状和分枝状等，它们当中大部分都是在模板和表面活性剂等存在的情况下制得的，或者生长在聚合物薄膜修饰的电极表面。然而，使用模板、表面活性剂和功能化修饰电极表面往往会影响到产物的性能，使合成步骤变得复杂，或者限制了纳米结构材料的大量合成。目前还没有专门的制备方法，尤其是在不需要任何模板、添加剂和电极表面修饰的情况下，一步实现大面积负载型花状银纳米结构材料的合成及其尺寸、微结构的有效控制。

发明内容

本发明的目的是，提出一种纳米结构材料的合成方法，尤其是容易实现且可控的电化学方法。通过此方法，在不需要任何模板、表面活性剂或电极表面修饰的情况下，一步实现银在Si/SiO₂/Pt(铂膜电极，简称PFE，通过在单晶硅、二氧化硅或其它光滑的金属片表面镀一层铂膜制得)表面的瞬间成核、可控生长，最终形成均匀分布、三维的分级花状银纳米结构(Flowerlike silver nanostructures，FSNs)。本发明目的还在于，通过简单调节反应参数，实现这种负载型FSNs的尺寸、形貌和微结构的有效控制，并将其初步应用于SERS活性基体。

本发明技术解决方案是：负载型花状银纳米结构材料的合成方法：其特征是阳极为高纯银片，阴极使用的是铂膜电极，电解液是硝酸银溶液，浓度为0.003-0.01mol/L，电解液的体积为20-100mL；电沉积时调节恒定电压范围为50-200mV，电沉积时间为2-15min；反应后将负载银纳米结构材料的负极用去离子水反复冲洗，最后在氮气气氛中晾干。温度一般在室温即可，亦可以从室温至40℃。

本发明的有益效果是：不需要任何添加剂，也不需要对电极表面进行预先修饰，本发明只是通过简单控制电压和电解液浓度，使得金属银在铂膜的表面瞬时成核，从而调节最终产物在基体表面的分布密度。此外，在银电化学生长过程中，合适的电还原驱动力使得晶核不同晶向上的生长速度差变得明显化，以达到各向异性生长的目的，最终制得具有特殊形貌的银纳米结构材料。此方法异常简单、易操作，产物易分离、纯度较高。

电化学沉积技术在制备纳米材料方面具有传统方法不具有的一些优点：一方面，通过改变所沉积材料与基体的表面能差异以及作用在电极表面的电压，电沉积法可以控制最初的成核模式(瞬时成核与逐步成核)，从而控制纳米结构在基体表面的分布数密度；另一方面，电沉积法制备的材料产率高，纯度高且无污染；电还原反应驱动力的可控性好，可以实现不同方式的晶体生长(各向同性或各向异性)；电化学方法非常简单、成本低且易操作。电化学沉积可以使金属纳米纳米结构材料在基体表面固定并实现组装，满足一些特殊的应用需求。因此，本发明具有以下几个优点：

1)设备装置简单、易操作。只需要简单的二电极体系(正、负极和电解槽)；

2)可控性好。可以通过简单调节反应参数，如反应时间来精确控制银纳米结构材料的形貌、尺寸和微结构；