[发明专利]一种利用铁离子控制水热合成银纳米线的方法

说明书

本发明提供了一种利用铁离子控制水热合成银纳米线的方法，属于银纳米线制备的技术领域。本发明方法：一、在室温、搅拌下，将聚乙烯吡咯烷酮(包覆剂)的水溶液、硝酸银(前驱体)的水溶液、铁离子(控制剂)的水溶液、pH调节剂的水溶液和蒸馏水混匀，再加入葡萄糖(还原剂)的水溶液，搅拌至均匀；二、然后在密封条件下，水热反应，再在空气中自然冷却至室温，得到含有银纳米线的母液。本发明可制备直径约30‑60nm，最大长度达到约50μm的银纳米线。通过铁离子的调控，使允许采用的前驱体浓度显著高于常规的以硝酸银为前驱体的水热法，提高了产量；与常见的以氯化银为前驱体的水热法相比，本发明的合成条件更为温和，降低了能耗。

技术领域

本发明属于银纳米线制备的技术领域；具体涉及一种利用铁离子控制水热合成银纳米线的方法。

背景技术

随着可穿戴电子产品的日益流行，用以制造可弯曲或可拉伸器件的新材料正成为学术界的研究热点。近年来，一维纳米材料，尤其是银纳米线，以其在高性能柔性电极方面的成功应用和大规模制造的潜力，得到了广泛关注。

目前报导的合成银纳米线的方法以多元醇法为主。然而，水热法由于使用的试剂较为廉价、环保，也得到较多研究。在水热法中，最常用的还原剂是葡萄糖。葡萄糖在包覆剂的辅助下直接还原硝酸银而不用其它控制剂时(Advanced Materials,2005,17,2626-2630)，只能采用很低浓度的银离子(1.4mM)，还原剂和包覆剂的用量却较高(分别为前驱体浓度的56.3倍和18.1倍)，这使得纳米线产量低而成本高。提高前驱体浓度的常用方法是加入高浓度的氯化钠为形核控制剂。Wang等人(Nano Research,2016,9(5),1532–1542)报导了27.9mM硝酸银，2.32mM氯化钠条件下的水热合成法；Bari等人(Journal of MaterialsChemistry A,2016,4,11365-11371)报导了7.5mM硝酸银，15mM氯化钠条件下的水热合成法。然而，高浓度的氯离子使反应条件变得苛刻，上述两种方法分别需要140℃/18h和160℃/22h保温，这是因为氯化银很难电离，而葡萄糖只在碱性溶液中才具有较强的还原性，导致缓慢的银离子还原速度。

氯化铁广泛用于银纳米线的多元醇法合成中(Langmuir,2005,21(18),8077-8080)，但铁离子在水热合成中目前尚无成功应用。传统的观点认为，三价铁离子可以被乙二醇还原为二价铁离子，后者起到除氧剂的作用，从而保护五重孪晶晶种，确保其生长为纳米线。但在水热法中，由于还原剂的变化，这一过程能否发生，尚未被验证。

发明内容

本发明的目的是提供了一种利用铁离子控制水热合成银纳米线的方法，具有产量高、条件温和、环境友好的优点。

本发明中一种利用铁离子控制水热合成银纳米线的方法是通过下述步骤完成的：

步骤一、在室温、搅拌下，将聚乙烯吡咯烷酮(包覆剂)的水溶液、硝酸银(前驱体)的水溶液、铁离子(控制剂)的水溶液、pH调节剂的水溶液和蒸馏水混匀，再加入葡萄糖(还原剂)的水溶液，搅拌至均匀；

步骤二、然后在密封条件下，水热反应，再在空气中自然冷却至室温，得到含有银纳米线的母液。

进一步地限定，步骤一硝酸银的水溶液的摩尔浓度为5mM-20mM，优选为5mM-10mM；硝酸银与聚乙烯吡咯烷酮的摩尔比为1:(0.5-2)，优选为1:1；硝酸银与铁离子的摩尔比为1:(0.01-0.1)，优选为1:(0.05-0.075)；硝酸银与pH调节剂的摩尔比为1:(0.01-0.2)，优选为1:(0.01～0.1)；硝酸银与葡萄糖的摩尔比为1:(1-5)，优选为1:3。

进一步地限定，步骤一中聚乙烯吡咯烷酮的平均分子量为55,000-1,300,000，优选为360,000。

进一步地限定，步骤一中pH调节剂为氨水、氢氧化钠水溶液、氢氧化钾水溶液中的一种，将反应体系浓度调节为弱碱性。