一種無需還原劑快速合成金納米顆粒的方法及裝置與流程

本發明涉及一種無需還原劑快速合成金納米顆粒的方法，即在水力空化反應器中無需外加還原劑快速連續制備納米級金顆粒的方法。

背景技術：

工業催化領域中，金及其合金由于對氧化反應、加氫反應等均具有較好的催化性能(j.phys.chem.c，113(2009)17831-17839)(j.catal.，281(2011)40-49)，因而受到人們的廣泛關注。催化劑的比表面積大小是影響其催化性能的重要因素，由于納米材料的比表面積大，表面所占的體積百分數大，表面的鍵態和電子態與顆粒內部有所不同，表面原子配位不全等導致表面的活性位點相應的增加，這就使得納米材料具備了比宏觀材料更為優異的催化活性。因此將金納米化是提高其催化效率的重要途徑。

納米級金材料傳統的制備方法主要有物理方法，包括真空蒸鍍法、等離子體濺射法等和化學法，包括化學還原法、微乳液法等。物理法雖然可以得到高純度、高分散性、粒度可控的金納米顆粒，但其設備投資相當昂貴，化學法在制得高純度粒度可控的金納米顆粒的同時，由于大量的引入了化學試劑而易導致環境的污染(j.chem.technol.biotechnol.，84(2009)151-157)。

水力空化(bioresour.technol.，186(2015)246-251)是微觀、瞬時、隨機、多相的復雜過程，能夠產生大量的能量，在空化能量利用方面，主要集中在對超聲空化的研究和應用上，如利用空化誘導或加速化學反應、超聲清洗、污水處理、強化傳熱等(chem.eng.j，143(2008)201-209)。

本發明利用水力空化過程產生的空化能來實現金納米顆粒的無還原劑快速制備，操作簡單，反應時間短(1～5分鐘)，環境友好無試劑污染，能耗較低。

技術實現要素：

本發明旨在提供一種在水力空化反應器中利用空化能量來快速連續還原制備金納米顆粒和調控顆粒粒徑的方法。利用本方法所制得的金納米顆粒主要呈球形，平均粒徑位于8～21nm，顆粒分散性好。

本發明所涉及的利用水力空化反應器還原制備金納米顆粒的主要裝置是由以下幾部分組成：(1)真空泵(2)水力空化反應器、(3)產品收集槽。(具體裝置見附圖1)

首先選擇加工制造水力空化反應器，搭建如圖一所示的反應裝置，將反應器置于甘油浴加熱器中，通過加熱器來調控反應器內的溫度，通過真空泵調節原料液流速，然后設定工藝參數：反應溫度(30～90℃)、原料液的流率(1～3l/min)。具體操作步驟如下：

(1)配制0.1～4mmol/l的金前驅體(haucl4溶液)；

(2)配制一定濃度的氫氧化鈉溶液(0.5～10mmol/l)用來調反應液的ph值；

(3)通過加熱器來調控反應器的溫度，使其保持在30～90℃。取一定體積的氫氧化鈉溶液和金前驅體(haucl4溶液)配置成反應液放入儲存槽內，通過真空泵將反應液以一定流率(1～3l/min)持續通入到空化反應器中，在反應器出口用管路收集反應液回流到反應槽內，循環操作，一段時間后反應槽內所得反應液即納米金溶膠。利用f30透射電子顯微鏡(tem)對所得的金納米顆粒的形貌和粒徑進行觀察并利用粒徑統計軟件sigmascanpro4對所得到的電鏡圖進行粒徑統計。

本發明工藝簡單，操作簡便，反應迅速、環境友好，能耗較低，由于采用連續制備工藝，反應易于實現規模放大，進行工業化生產。

附圖說明

圖1為本發明采用的反應裝置流程圖。

圖2為本發明實制備的粒徑金納米顆粒的tem圖。

具體實施方式

下面通過實施例對本發明做進一步說明。

實施例1：

用氫氧化鈉溶液將反應液的ph調至8.4。用真空泵將2mmol/l金前驅體(haucl4溶液)以1l/min的流率持續輸送到喉部內徑為0.8mm，主管內徑6mm的水力空化反應管中，設定反應溫度為室溫(30℃)。所得的金納米顆粒均為近球形，大小均勻，有部分金納米片，球形金納米顆粒粒徑徑主要分布在8.56±2.27nm。

實施例2：

將實施例1中反應液的體積流率設定為1.5l/min，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在9.57±2.86nm。

實施例3：

將實施例1中反應液的體積流率設定為2l/min，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在10.73±3.36nm。

實施例4：

將實施例1中反應液的體積流率設定為2.5l/min，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在11.09±3.94nm。

實施例5：

將實施例1中反應液的體積流率設定為3l/min，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在12.56±4.60nm。

實施例6：

用氫氧化鈉溶液將反應液的ph調至8.4。用真空泵將2mmol/l金前驅體(haucl4溶液)以2l/min的流率持續輸送到喉部內徑為0.8mm，主管內徑6mm的水力空化反應管中，設定反應溫度為60℃。所得的金納米顆粒均為近球形，大小均勻，有部分金納米片，球形金納米顆粒粒徑主要分布在11.76±2.66nm。

實施例7：

將實施例6中的反應溫度設定為90℃，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在12.03±2.69nm。

實施例8：

將實施例6中的反應液的ph用氫氧化鈉溶液調至9.4，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在10.03±2.09nm。

實施例9：

將實施例6中的反應液的ph用氫氧化鈉溶液調至10.4，保持其他的反應條件不變，所得的納米顆粒均為近球形，粒徑主要分布在9.23±1.85nm。

實施例10：

用氫氧化鈉溶液將反應液的ph調至8.4。用真空泵將2mmol/l金前驅體(haucl4溶液)以1l/min的流率持續輸送到喉部內徑為1.2mm，主管內徑6mm的水力空化反應管中，設定反應溫度為室溫(30℃)。所得的金納米顆粒均為近球形，大小均勻，有部分金納米片，球形金納米顆粒粒徑主要分布在15.56±4.24nm。

技術特征：

技術總結
本發明旨在提供一種利用水力空化反應器連續快速還原金前驅體HAuCl4溶液制備金納米顆粒和調控顆粒粒徑的方法。加工制造水力空化反應器，搭建如圖一所示的反應裝置，通過加熱器來調控反應器的溫度，使其保持在30～90℃。取一定體積的氫氧化鈉溶液和金前驅體(HAuCl4溶液)配置成反應液放入儲存槽內，通過真空泵將反應液液以一定流率(1～3L/min)持續通入到空化反應器中，在反應器出口用管路收集反應液回流到反應槽內，循環操作，一段時間后反應槽內所得反應液即納米金溶膠。本發明工藝簡單，操作簡便，反應迅速、環境友好，能耗較低，由于采用連續制備工藝，反應易于實現規模放大，進行工業化生產。

技術研發人員：劉宏宇;程媛媛;張環;王捷;魏俊富
受保護的技術使用者：天津工業大學
技術研發日：2017.05.23
技術公布日：2017.09.19