离子交换固相超薄膜中自组装法制备形状和尺寸可控的金属纳米颗粒

本课题依托金属、高分子、化学等学科交叉，提出了一种在高分子固相超薄膜环境中制备形状规则和尺寸可控的单分散金属纳米颗粒的方法。它是以水溶性聚酰胺酸为载体，通过离子交换将其与金属离子反应形成络合物，然后将其溶液旋涂在基板上形成一层超薄的聚合物膜，在热处理过程中将金属离子还原并在超薄膜中发生自组装和受限聚集生长，从而制得单分散的规则纳米颗粒。研究将采用该方法进行具有规则形状和可控尺寸的Ag、Cu、Co、Ni、Pd、Fe、In、Zn的单金属和相应的双金属（如Cu-Ag、Co-Ni）纳米颗粒的制备。系统考察聚合物结构（包括空间结构、化学结构、序列结构和分子链的刚柔程度等）、金属前躯体结构（包括金属离子的配位体或反离子、金属离子的化合价）和各种因素对颗粒制备过程的影响，通过对聚酰胺酸和金属离子络合过程的精确控制和对金属粒子还原生长过程的跟踪研究，实现对纳米颗粒形貌和尺寸的控制，并揭示出相应的机理。

本研究发明了一种在高分子固相超薄膜环境中制备形状规则和尺寸可控的单分散金属纳米颗粒的方法，即离子交换自组装法。它是以水溶性聚酰胺酸盐为载体，通过离子交换将其与金属离子反应形成络合物，并使其在溶液相中络合组装成团，然后将其溶液旋涂在基板上形成一层超薄的聚合物膜，通过热处理使金属离子还原并使其在各项异性的固相超薄膜环境中发生受限的聚集生长，从而制得单分散的规则纳米颗粒。实验对该方法进行了详细研究，成功地制备出了具有规则形状（特别是立方形）和可控尺寸的银、铜、钴、镍的金属或金属氧化物的纳米颗粒。其中，对银纳米粒子的可控制备进行了深入研究，考察了聚合物结构、金属前躯体结构和热处理条件等对金属粒子制备过程的影响，通过对聚酰胺酸和金属离子络合过程的精确控制和对金属粒子还原生长过程的跟踪研究，实现了对纳米颗粒形貌和尺寸的控制。研究通过调整金属前驱体的种类，在以银氨络离子为银前驱体的条件下，成功实现了立方形银纳米离子的大量制备。离子交换自组装法有效克服了溶液相法在制备金属纳米粒子时难于控制、对制备条件过于敏感和重复性不理想的问题，同时解决了固相法难于实现规则形状金属纳米粒子制备的问题，具有很好的制备稳定性可重复性；此外，当前的研究表明聚酰胺酸可以作为制备规则形状金属纳米粒子的一种有效的聚合物媒介。