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纳米金属及无机材料的绿色合成

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第11期 2005年11月 电 子 元 件 与 材 料 、,01.24 NO.1 1 NOV.2005 ELECTRONIC COMPONENTS&MATERIALS 纳米金属及无机材料的绿色合成 季学来,陶 杰,邓杰,石峰,潘峰,陆鹏 (南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏南京21 001 6) 摘要:高聚物模板是用来合成纳米材料的重要方法之一,但在制备纳米材料的过程中,这些高聚物往往难以被大 自然所降解。而淀粉类生物多糖物质来源广泛,并具有很好的生物降解性和相容性,以淀粉类生物多糖为模板合成纳 米材料已经引起了广泛的重视。现报道以淀粉类生物多糖作为模板,来引导纳米金属及无机材料合成的最新研究进展。 关键词:材料合成与加工工艺;模板;绿色化学;生物多糖;淀粉;纳米材料 中图分类号:TQ31;0663 文献标识码:A 文章编号:1001—2028(2005)11.0066.04 Green Synthesis and Stabilization of Metal and Inorganic Materials via Biological P0lysacCharide Template JI Xue-lai,TAO Jie,DENG Jie,SHI Feng,PAN Feng,LU Peng (College ofMaterial Science and Technology,Nanjing University ofAeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) Abstract:The use of polymer template is one of the important way in the process of synthesis nanomaterials,however these polymers are not degradable in the nature,The starch polysaccharide have a wide resource,good degradation and good biological compatibility in the nature.Synthesis of nanomaterials via biological polysaccharide template have been stimulated a growing research interest in recent years,The development and the state—of-art of green synthesis and stabilization of metal and inorganic material via biological polysaccharide template are also reviewed. Key words:synthesizing and processing technics of materials;template;green chemistry;biological polysaccharide; strch;nanomataerials 2O世纪9O年代初,化学家们提出了与传统的治 理污染不同的绿色化学的概念…。近十几年来,关于 绿色化学的概念、目标、基本原理和研究领域等已经 高聚物往往不能被大自然所降解,有些还具有毒性, 大多数高聚物不溶于水,所以还需要采用一些容易挥 发的有机溶剂来溶解,这些有机物在使用过程中有的 会引起水源的污染,为了人类的健康和社会的可持续 性发展,需要采用可再生、无毒性的高分子物质和采 逐步明确,初步形成了一个多学科交叉的新的研究领 域。合理选择使用无毒性化学品、具有生态相容性的 溶剂和可再生材料是绿色化学研究的重要组成部分。 作为一个多学科交叉的研究领域,绿色化学中有许多 科学问题需要深入研究。这里仅就笔者较熟悉的绿色 化学中的生物多糖为模板合成纳米金属及无机材料方 面的问题提出一些看法。 用无毒无害的溶剂代替挥发性有机化合物做溶剂,就 成为绿色化学的重要研究方向。由于多羟基的高分子 物质可以在分子间通过氢键形成超分子,所以可以用 作模板来引导纳米晶体的生长。淀粉是一种天然的生 物高分子多羟基物质,具有很好的生物降解性和生物 相容性,而且直链淀粉可以与很多客体分子形成化学 众所周知,高聚物模板具有粒径可控,其分子间、 分子内具有纳米反应器等优点,所以是用来合成具有 特殊形貌和功能的纳米材料的重要方法之一。线性的 和树枝状的高聚物都已经成功地用来合成纳米金属材 料和无机材料。但制备纳米材料过程中,所用的这些 键连接。更重要的是,通过一些简单的处理,淀粉就 可以溶解在水中,这样就可以避免那些有机挥发性溶 剂的使用,从而实现纳米粒子的无污染、无毒性的绿 色合成。目前以天然多糖为模板合成金属及无机材料 收稿日期:2005.05.11 通讯作者:陶杰 作者简介:陶杰(1963一),男,江苏南京人,教授,博士,研究方向为纳米材料。Tel:(025)84892904,013705768738 ̄E-mail:taojie@nuaa edu.cnj 季学来(1979一),男,江苏盐城人,研究生,主要从事功能材料的研究。Tel:(025)84892904;E-mail:wolfbloodjxI@sohu_c0m。 维普资讯 http://www.cqvip.com

第ll期 季学来等:纳米金属及无机材料的绿色合成 67 的报道还不多,但绿色化学是化学界的研究热点和重 Mirkin等人对各向异性的纳米金粒子和银粒子的合成 机理进行了研究L6J。总的来说,制备纳米金属粒子一 般有两种方法:一是用还原剂(如NaBH4、H2O2等) 来还原纳米金属的前驱物,得到金属的纳米粒子;二 是通过在气氛保护下金属盐类的高温分解来制备,而 要领域,对人类的可持续性发展具有重大意义。笔者 综述了生物多糖中的淀粉及其衍生物作为模板来指导 纳米金属及无机材料合成的最新研究进展。 1 生物多糖的分子结构与化学性质 多糖是地球上最丰富的有机化合物,也是数量最 多的可再生天然有机物。人们早在19世纪就认识到糖 且如果是在空气条件下控制好反应条件还可以得到金 属氧化物的纳米粒子。由于纳米金属粒子具有很高的 表面能,这使得它们的物理化学性质十分活泼,如果 是生物体中最重要的成分之一,但对糖的生物化学功 能的认识却比较晚,长期以来一直认为糖只是一种能 量物质(如葡萄糖、动物糖原、植物淀粉)或结构物 质(如纤维素、木质素)。到了20世纪60年代,随着 化学和材料学的发展,人们开始认识到糖在材料合成 方面的巨大作用,其化学功能也决非仅仅是作为能量 来源。随着科学发展和分离分析技术水平的提高,人 们认识到糖的结构是非常复杂多样的【2】。糖是一种多 羟基的醛或酮的化合物,可以分为单糖和多糖,多糖 则是各种单糖的缩聚物。例如淀粉多糖是由 .D一葡萄 糖通过 .1,4糖苷键和 .1,6糖苷键连接而成的天然 高分子,分直链淀粉和支链淀粉两种,两种分子又通 过氢键等力的作用有机地形成淀粉颗粒结构。多糖的 相对分子量比较大,大多带有负电荷,由于多糖中羟 基含量很高,所以具有一定的化学活性,能够与许多 金属离子形成化学键连接。 2生物多糖指导绿色合成金属及无机材料的 研究进展 2.1合成金、银等贵金属材料 金、银等贵金属纳米粒子,具有优良的光电性能 且可在催化方面应用而受到众多研究者的注意。纳米 金属材料有多种制备方法,例如气相法、高能球磨法 等,但最近几年由于溶液法制备纳米金属粒子具有单 分散性好,形貌控制容易等优点,使得溶液法制备纳 米粒子成为纳米科学的热点领域。控制纳米粒子的粒 径、粒子形状、表面形貌成为纳米金属材料具有优良 物理性能、化学性能、光电性能等的关键因素。而且 纳米金属粒子的光性能、电性能、磁性能取决于它们 形貌的程度往往要比粒子大小重要得多 J。尤其是贵金 属Au和Ag则更为明显。正是由于粒子形貌对纳米金 属材料性能具有重大的影响,众多研究者们在这方面 开展了很多研究,制备出了多种具有一维、二维、三 维几何结构的纳米金属材料。Sun和Xia采用了高聚物 作为晶体生长模板合成了银的纳米管和金的纳米环【4J。 Liz—Marzan和他的合作者,用电化学的方法在基底薄 膜上面沉积了三角形和六方形混杂的纳米金粒子 。 没有其它物质降低它们表面能的话,它们将会自发团 聚,以降低表面能量,从而导致其特殊表面形貌与结 构的消失。目前研究者们大多采用自组装单层膜【 1、 硫醇类有机物体系【8】、微乳液(W/O)[9】以及分散在聚 合物的基体中【l uJ等方法来解决这一关键问题。 2003年Scott L.Wallen等人发表在美国化学学会 杂志上的论文提出一个全新的绿色合成纳米金属材料 的方法u”。他们采用一定浓度的AgNO3溶液和可溶性 淀粉溶液混合,然后加入一定量的葡萄糖,混合均匀 后在氩气保护下40℃反应20 h后可以得到微黄色的 溶液。他们认为此时已经生成银的纳米粒子。他们对 得到的产物做了TEM表征(图1),发现得到了直径为 4 nm左右的银粒子,这表明淀粉溶液起到了控制纳米 金属粒径的模板作用。他们在分析表征结果后认为是 多糖物质的活性羟基使A2+在淀粉模板中还原出来, 并且淀粉模板还起到了阻碍Ag 进一步长大的作用。 该反应得到淀粉与Ag 的纳米复合材料具有很高的稳 定性,在室温下保存2个月后,样品仍然保持稳定而 且纳米粒子没有发生团聚现象。Wallen等人的工作开 辟了一个新的绿色合成纳米粒子的新天地。但他们的 工作也有不足,实际上他们得到的是淀粉与银的复合 粒子,并不是完全纯净的纳米银粒子,而且他们所得 到的样品也是粒径分布较宽的粒子形态,并没有得到 类似纳米线、纳米管或者是孔道结构。 以生物多糖指导的绿色合成过程比较简单,反应参 数容易控制,但这也造成了反应变化太少,不足以合 成具有特殊形貌的无机材料。2004年,Chattopadhyay 小组【】 】把超声波引入到绿色合成纳米金属材料过程 中。他们将1 g淀粉溶解在沸水中,加热一段时间后 冷却到室温,滴入一定含量的HAuC14溶液(0.03 mol/L),然后混合溶液用35 kHz的超声波处理5 min 后,加入一定量的H2O2作为还原剂,即可得到纳米 金与淀粉的复合粒子。他们还采用了一种很新颖的方 法来除掉淀粉模板。他们并没有采用普通的灼烧方法, 而是采用了一种淀粉酶来消化掉淀粉。反应得到的纳 米金材料十分稳定,在几周后仍保持原有结构,且无 团聚现象。 维普资讯 http://www.cqvip.com

68 电子元件与材料 2005在 2.2合成金属氧化物 纳米金属材料的光电性能、磁性能往往不如其氧 化物的性能好。例如金属铁的磁性能就没有铁的氧化 物Fe O4好,氧化锌则具有比金属锌好得多的光电性 能。多糖模板能不能指导合成具有特殊形貌结构的金 属氧化物,就成为多糖模板是否是一种应用广泛的合 成方法的关键。A.Taubert小组,将可溶性淀粉与 锌(Zn(NO3)2·6H2O)溶解在100 mL水溶液中,并 加热到100℃,然后加入一定量的环己氨类物质 (HMT),HMT在反应中既能提供氢氧根与znz+反应又 能控制pH值,同时避免了采用NaOH使成核过于迅 速的弊端。反应在90℃下进行90 min后,过滤干燥 后得到球状氧化锌材料。他们还研究了不同浓度的淀 粉溶液对氧化锌的形貌结构的影响,发现在低浓度的 淀粉溶液下得到的氧化锌粒径分布较宽,高浓度下则 形成直径较大的球状氧化锌,而且粒径分布较窄。 2.3合成多孑L金属及金属氧化物 2003年,S.Mann小组采用右旋糖苷代替淀粉合 成了大孔结构纳米银和纳米金材料【l引。他们所采用的 模板右旋糖苷也是淀粉族生物多糖的一种,是由 .D. 葡萄糖通过 .1,6糖苷键连接而成的天然高分子。与 淀粉不同的是它能在室温下很好地溶解在水中,且还 具有还原性的醛基,可以在不外加还原剂的基础上得 到纳米或微米级金属材料。他们的合成方法与Walen 等致相同,也是用一定浓度的AgNO3溶液和右旋 糖苷溶液混合,由于右旋糖苷具有还原性的醛基,所 以不必加入还原剂。他们的不同点在于:S Mann小组 将得到的产物在不同温度下灼烧,去除掉天然高分子 模板,得到多孔海绵状的纳米银材料(图1),比表面 图1小I 温度F的银海绵体 Fig.1 SEM images of silver sponges at different temperatures 积为0.5 In2·g~。他们还发现,其孔径随着灼烧温度 的提高而变大,比表面积相应减小。他们还用与合成 多孔银材料相类似的方法,用金属盐(AuC13)与右旋 糖苷反应得到多孔结构的纳米金材料。S.Mann小组用 右旋糖苷与铜和铁反应,在800℃灼烧后分 别得到多孔状氧化铜和氧化铁材料【l 。 2.4天然多糖作为硬模板合成金属及无机材料 上面所提及的合成中,多糖都是起到一个软模板 的作用,与软模板比起来,硬模板则具有控制材料形 貌更加精确的优点。尽管模板合成法可以提供一条非 常好的制备低维纳米材料途径,但获得这些模板本身 却不是一件容易的事情。S.Mann小组首先将淀粉制成 个海绵状的多孔材料(图2)用来指导各种材料的 合成。他们将一定量的淀粉溶解在水中,在100℃下 加热15 min至淀粉溶液形成透明胶体状后,保持在 20℃下24 h后,得到大孔海绵状的淀粉模板材料。 在淀粉模板的大孔中可以沉积各种纳米材料,S.Mann 小组在淀粉模板的孔道中沉积了纳米的沸石颗粒。不 只是淀粉可以作为多孔结构的硬模板,其它生物多糖 也具有类似的多孔结构。目本的Kunitake小组则在多 孔结构的纤维素纸的纳米孔道中合成出了多种贵金属 (Ag、Pd、Au、Pt)的纳米颗粒。 图2淀粉硬模板的SEM照片 Fig,2 Macroporous structure of starch template 3生物多糖指导的绿色合成纳米金属材料的 合成机理 对于多糖指导的反应机理目前争论较多,众多研 究者提出了多个模型,普遍认为是由于多糖具有很多 活性羟基基团,使得多糖物质会在水溶液中形成团聚 并与金属离子形成复合体,这使得很多金属离子(如 银、金、锌)在淀粉分子周围高度富集【l 。因此成核 与最初的晶体生长区域往往发生在多糖和金属离子浓 度相对较大的区域。通过晶体的进一步长大,由于多 糖物质分子结构和浓度的不同,会得到球状或者是多 孔状的金属材料。多糖物质起到凝聚剂、成长剂和保 护剂的作用,尤其是在高浓度的多糖溶液中更为明显, 见图3。 4生物多糖为模板绿色合成纳米金属材料的 优点 以淀粉等生物多糖为模板绿色合成纳米金属材料 溶剂的使用,避免了对环境造成污染。水相中的化学 反应具有很多优点:操作简单,安全,没有有机溶剂 的易燃、易爆等问题而且水资源丰富、成本低廉。从 维普资讯 http://www.cqvip.com

第11期 季学来等:纳米金属及无机材料的绿色合成 69 是一个令人振奋的研究领域,充满着活力,其研究内容 非常丰富,范围十分广泛。其中,从化学角度首先要 M 淀粉 解决的问题是:(1)如何快速、高效地分析各种糖链 在水中或超临界溶剂中的分子结构;(2)如何简单、 快捷地合成各种结构的糖与金属或无机材料的复合 其它客体分子相互作用。要解决这些问题不仅需要创 新的化学方法,而且需要结合创新的生物学手段,如 酶,抗体等。但毋庸置疑的是,由于糖在生命过程中 的重要性,糖化学将是一个倍受关注的前沿学科,是 化学界在新世纪的巨大机遇与挑战。 0 o 0◇ 厂 \ 物;(3)弄清糖链是如何参与作用,即以何种方式与 纳米粒子 参考文献: [1]Martyn Poliakoif,Michael Fitzpatirck J,Trevor R Farren,et a1.Green Chemistry[J].Sci Politics Change Sci,2002,297(2):807—809. [2]Paul Calvert.1’he structure of starch[J】_Nature,1 997、389(20):338—340. [3】Sarma T K,Chattopadhyay A.Starch—mediated shape—selective synthesis of nanoparticles with tunable longitudinal plasmon resonance[JJ.Langmuir, 2o04,加(132):3520L_3523. (a)金属高于与淀粉形成复合体;(b)纳米粒子的成核与生长,形成微小 [4】Sun Y’Xia Y.Shape—controlled synthesis of gold and silver nanoparticles fJ.SciJ]ence,2002,298(45):2176_2178 【5]Malikova N,Pastoriza.Santos I.Layer.by layer assembled mixed spherica1 粒子;(c)金属粒子团聚形成大的粒子 图3纳米金属材料的机理示意图 Fig.3 Proposed particle formation and planar gold nanoparticles:Control of interparticle interactions[J]. Langmuir,2002,1 8(23):3694--3696. 另一个角度看,长期以来,合成反应多在有机溶剂中 进行,有些还必须在无水、无氧的条件下进行。以水 为介质必然会引起许多新问题。如:反应物在水中的 稳定性,水中存在的大量氢键对反应的影响等;其次 [6]Me ̄aux,Gao Y C,Jin R,et a1.Triangular nanofrarnes made of gold and silver[J1.Nano Lett,2003,3(234):5I9-520. 【7]Kuroiwa K,Shibata Takada A,et a1.Heat set gel like networks of 1ipophilic Co(1l1 tiazolre complexes in organic media and their thermochromic stuctrural transitions f J1.J Am Chem Soc,2004,1 26(334): 2016—2018, 多糖物质,如淀粉与其它硫醇类模板相比较,与纳米 金属粒子之间的键合力较小,这就意味着去除模板的 时候更加容易。而且多糖类物质还可以通过酶类物质 的消化作用来去除模板,这是其它高分子材料所不具 【8]Ultman A.Formation and stuctrure of self-assembled monolayers fJJ] Chem Rev,l996.96(224):l533-l536. [9]Petit,Lixon,Pileni M.Stucalr study of bimetallic bis(2 ethylhexy1) sulfosuccinate aggregates[J].Langmuir,1991,7(22):2620-2622, [10】Suslick,Fang M,Hyeon Sonocbemical synthesis of iron colloids[J].J Am Chem Soc.1996.1l8(253):ll960L_ll962. [11]Raveendran Fu J,Wallen S L,Completely“green”synthesis and stabilization of meta1 nanoparticles fJ】.Am Chem Soc,2003,125: 13940L-13941. 备的特点。以淀粉等多糖物质为模板绿色合成纳米金 属材料的最重要的优点是其制备出来的纳米金属粒子 具有很好的生物相容性,可以更方便、更容易地在制 药和生物医学方面得到应用。可以预见,以生物多糖 模板合成纳米材料将会在绿色化学中开辟出一个新的 研究领域。 【12] dib Kumar Sarma,Arun C,Starch.mediated shape selective synthesis of Au nanoparticles with tunable 1ongitudinal plasmon resonance fJ]. Langmuir,20o4 20:3520-3522 [13]Dominic walsh,Mann S.Dextran templating for the synthesis of metallic and metal oxide sponges ,Nat Mater,2003,(2):34 1-386. [14]Zhang B J,Davis S A,Mann S,Starch gel templating of spongelike macroporous silicalite monoliths and mesoporous films f J1l Chem Mater, 2o02.14:1342_1369, 【15]He J H,Toyoki Kunitake.Facile in situ synthesis of noble meta1 nanoparticles in porous cellulose fibers【J],Chem Mater,2003,15(22): 4401—辑05. 5 展望 总之,在2l世纪基于生物多糖的纳米科学研究将 (编辑:朱盈权) LG飞利浦龟尾工厂超薄CRT生产线建成 LG飞利浦显示器公司位于韩国庆北龟尾市的一 据预测,全球超薄型CRT显像管2005年的需 条新的超薄 cRT显像管生产线于9月l2日建成,该 求量为240万只,2007年为3 390万只,2010年将达 公司CEO! ̄J咂一在当日举行的竣工仪式上说:“超薄 型CRT生产线是LG飞利浦作为全球CRT显像管事 业中心的象征”。该生产线生产品种为32 英寸和29 英寸,月生产能力为l5万只。 到6 700万只。其中,29英寸超薄型CRT显像管2005 年需求量为60万只,2007年为1 440万只,2010年 达到2 600万只。在未来5年间的年平均增长率可望 达到110%。 

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