روش های تولید نانو ذرات نقره و مقایسه عملکرد آنها با یکدیگر

بررسی چگونگی تولید ذرات نانو نقره

مقایسه روشهای تولید نانو ذرات نقره

چکیده

روش های تولید نانو ذرات نقره و مقایسه عملکرد آنها با یکدیگر عنوان مقاله ایست که بارها از سوی متخصصین این حوزه مورد بررسی قرار داده شده است . نانو ذرات نقره عمدتا ، به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه ای که از خودشان نشان می دهند ، در مصارف الکتریکی ، نوری ، دارویی ، بهداشتی و کاتالیتیکی ، کاربرد فراوان دارند . بنابراین سنتز این ذرات از اهمیت بسزایی برخوردار است . در واقع نانو ذرات نقره برای عوامل بیماری زا یک سم تلقی می شوند ، در حالی که برای بدن انسان ها ، غذاها و بافت ها بی ضررند ، در این مقاله ، مقایسه مختصری بین روش های سنتز نانو ذرات شامل روش های سنتز فاز بخار ، فتولیز ، الکتروشیمی و کاهش شمیایی مورد استفاده قرار گرفته است و روشی بسیار مناسب برای سنتز نانو ذرات نقره به وسیله ی موج مایکروویو در محیط الکلی پیشنهاد شده است .

به منظور داشتن ذرات نقره درگستره ی نانو متر از پلی وینیل پیرولیدن (PVP) به عنوان پایدار کننده اما واکنش در مایکروویو در زمان بسیار کوتاه تری انجام پذیر است . در ادامه با پرک شیمی همراه باشید .

مقدمه

محققان و دانشمندان علم مواد و فیزیک بر این باورند که بسیاری از خواص فیزیکی مواد ، ارتباط تنگاتنگی با ریز ساختار ماده به مفهوم گسترده ی آن ، آرایش اتم ها (ساختار اتمی) ، ترکیب شمیایی و اندازه یک جامد در یک ، دو یا سه بعد دارد . بدیهی است که با پذیرفتن چنین اصلی ، انتظار تغییر خواص فیزیکی یک جامد را در اثر تغییر یافتن یکی از پارامترهای فوق داشته باشیم . در ارتباط با نانو مواد گزارش های متعددی در خصوص تغییرات خواص فیزیکی در اثر کاهش اندازه ذرات ارائه شده است که وقوع چنین پدیده هایی پرسش های بسیار زیادی را برای دانشمندان علوم مختلف طرح نموده است ، لذا با توجه به کاربردهای بسیار جالبی که نانو مواد دارند ، تلاش های بسیار زیادی برای درک پدیده های نو ظهور حاصل از کاهش اندازه ، در حال انجام است . به طور کلی در یک تقسیم بندی عمومی ، محصولات نانو شامل موارد زیر است :

1. نانو ذرات
2. نانوسیم ها و نانو لوله ها
3. نانولایه ها

کاربردهای نانو ذرات معمولاً به عنوان پیش ماده و یا اصلاح ساز پدیده های فیزیکی و شیمیایی یا فرآیندهای بیولوژیکی است و نانو لوله ها با خواص الکتریکی ، مکانیکی ، اپتیکی ، کارایی گوناگونی دارند . در مورد فیلم ها که برروی سطح یک زیر پایه ساخته شده اند کاربردهایی نظیر نانو پوشش های حفاظتی برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، افزایش سختی سطوح و حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی و کاربردهای الکترونیکی را می توان نام برد . به طور کلی ، طی دو روش بالا به پایین و پایین به بالا می توان نانو ذرات را تولید کرد . در روش نخست ذرات طی مراحل آسیاب شدن به دست می آیند و در روش دوم سنتز ذرات با روش های الکتروشیمی ، سنتز فاز بخار ، روش فتولیز و کاهش شیمیایی و ... صورت می گیرد .

اما به لحاظ تاریخچه ، در واقع می توان چنین گفت که علم ذرات فلز ، با آزمایش های مایکل فاراده آغاز شد . فاراده به روش احیاء ، نانو ذرات طلا با ابعاد 3 تا 30 نانومتر را از محلول تتراکلروآئورت (AuCl₄) ایجاد کرد . وی در این روش از فسفر به عنوان کاهنده استفاده کرد . بعد از فاراده با پیشرفت فناوری و پدید آمدن دستگاه های گوناگون ، ذرات فلزی متفاوتی با اندازه های گونگون سنتز شدند . گزارش های اخیر مهم گسترده ای در زمینه تولید نانو ذرات فلزی داشتند و مطالعات فراوانی تاکنون در زمینه هسته گزاری و رشد بلور و انباشتگی ذرات صورت پذیرفته است . سنتز شیمیایی نانو ذرات نقره ، اخیراً مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است ، زیرا نانو ذرات نقره به طور عمده و به دلیل خواص فیزیکی و شیمیایی ویژه ای که از خود نشان می دهند ، کاربردهای فراوانی از قبیل کارایی الکتریکی و نوری ، بهداشتی و کاتالیتیکی دارند .

سنتز فاز بخار نانو ذرات

در سنتز فاز بخار نانو ذرات ، شرایط به گونه ای ایجاد می شود که مخلوط فاز بخار به طور دینامیکی ناپایدار باشد تا مواد به صورت جامد در اندازه نانو تهیه شوند ، بنابراین ایجاد بخار فوق اشباع در اینجا حائز اهمیت است که این مسئله به دانش شیمی بخار اشباع برمی گردد .

مستقیم ترین روش برای به دست آوردن بخار فوق اشباع این است که یک جامد را حرارت دهیم تا به صورت بخار در یک گاز پایه درآید ، سپس با یک گاز سرد آن را مخلوط کنیم تا دما آن کاهش یابد . این روش ، جهت تولید نانو ذرات فلزی بسیار مناسب است ، زیرا خیلی از فلزات با یک سرعت منطقی و در یک دمای مناسب بخار می شوند ، اما به دلیل میل ترکیبی بخار فلزات با اکسیژن ، عمدتا" برای سنتز نانو ذرات اکسید فلزی مناسب تر است . در این حالت زمانی ،  درجه اشباع شدن کافی است و در صورتی که نسبت سنیتیکی انجام واکنش به متراکم شدن اجازه بدهد ، ذرات به طور همگن هسته گذاری می کنند و بعد از یک بار مرحله هسته گذاری ، بخار فوق اشباع باقی مانده به وسیله متراکم شدن و با واکنش برروی ذرات ایجاد شده ، باعث رشد ذره ها شده ، پس مرحله رشد ذره بیش از هسته گذاری اتفاق می افتد ، بنابراین جهت تولید ذرات کوچک اقدامات زیر به ترتیب مورد نیاز است :

اولین کار ، تولید یک بخار فوق اشباع از ماده مذکور است که به موجب آن یک هسته گذاری مناسب صورت پذیرد . سپس بلافاصله باید سیستم را خاموش کرد که این کار با برداشتن منبع تولید بخار فوق اشباع یا کاهش سینتیک واکنش ، امکان پذیر است ، بنابراین در این جا از رشد ذرات جلوگیری می شود ، در بسیاری از موارد ، این مرحله بسیار سریع یعنی در حد میلی ثانیه صورت می گیرد .

فتولیز یا روش برتو کافت گاما

سنتز نانو ذرات فلزی و کلاسترها به روش پرتوکافت به این گونه است که در این روش ، محلوا آبی نمک فلزی – نیترات نقره – را در معرض اشعه قرار می دهیم . طی این جریان ، از رادیولیز آب الکترون های هیدراته و اتم های هیدروژن بوجو می آیند که این گونه ها به صورت معرف های کاهنده بسیار قوی هستند و باعث کاهش یون فلز شده و عدد اکسایش فلز را به صفر میرسانند . به منظور ممانعت از اکسیداسیون ذرات ، باید رباینده ی رادیکال هیدروکسیل مانند پروپان -2- اّل قبل از تابش دهی اضافه شود .البته برای سنتز نانو ذرات نقره از پایدار کننده هایی همچون PVP استفاده می شود تا مانع لخته شدن و تجمع ذرات شود میزان پلیمر مصرفی با غلظت یون نقره ارتباط مستقیم دارد و در هر مرحله نیاز به بهینه سازی است .

روش الکتروشیمی

نانو ذرات فلزی را می توان از طریق واکنش های الکتروشیمیایی  نیز تهیه کرد . بیش  از 70 سال است که از روش های الکتروشیمی به منظور تولید پودرهای فلزی و یا آلیاژهای فلزی با قطر متوسط بزرگ تر از یک میلی متر استفاده شده است . پیشرفت های اخیر در علم و فناوری هسته گذاری الکتروشیمیایی ، سازو کار کارایی الکتروشیمی را در تولید ذرات نانو توسعه داده است . مقالات موجود اثرات پارامترهای گوناگون چون دانسیته جریان ، اور ولتاژ ، دما ، جنس کاتد ، زمان ، نوع الکترولیت بر روی اندازه ، مورفلوژی و ساختار ذرات به طور کامل توضیح داده است . نمک های نقره در الکترولیت های رایج چندان محلول نیست ، اما بنا به مطالعات انجام شده ، ذرات نقره به سهولت در سطح کاتد می نشیند . تاکنون رسوب گذاری الکتروشیمیایی بر پایه سولفات ، نیترات ، کلرید ، برمید و یدید نقره انجام شده است . در تمام موارد لایه ای از نقره بر روی الکترود حاصل شد . البته حتی با افزودن بازدارنده های آلی نظیر تتراایزوآمیل آمونیوم سولفات ، تترابوتیل آمونیوم سولفات و آنیلین نیز توزیعی از ذرات پراکنده ایجاد نشد ، اما در نهایت ذرات نقره با افزودن ژلاتین به دست آمد و به وسیله سدیم تیوسولفات فعال شد . یکی از روش های کاربردی در سنتز نانو ذرات فلزی طی روش الکتروشیمی ، الکتروپالس است ، این روش بر پایه استفاده از الکتروشیمی پالسی و شیمی صوت است و نیاز به تجهیزات بالایی دارد .

سنتز نانو ذرات نقره از طریق کاهش شیمیایی

به طور کلی ، به روش شیمیایی از طریق کاهش نمک های فلزات در حضور یک پایدارکننده که می تواند یک پلیمر یا سورفکتانت و ... باشد ، می توان نانو ذرات فلزات را با کنترل اثرات هم زدن ، دما ، PH در اندازه های متفاوت داشت که مطالعات گسترده ای بر مبنای کاهش نمک های گوناگون نقره جهت سنتز نانو ذرات نقره انجام شده است . واکنش های کاهش شیمیایی با وجود سهولت دارای معایبی نیز هست . عمده ترین مسئله ای که در این واکنش مطرح است زمان انجام واکنش است که عموما" بسیار طولانی است و در بعضی از موارد مانند واکنش های کاهش الکلی در حجم بالا تحت رفلاکس انجام پذیر نیست . یکی از روش هایی که برای سنتز نانو ذرات فلزی بسیار کاربرد دارد ، تولید نانو ذرات فلزی طی واکنش های مایکروویو است . سنتز نانو ذرات از طریف مایکروویو  دارای مزیت های عمده زیر است :

تمیز تر بودن سازو کار و عمل

اقتصادی تر بودن ( به لحاظ انرژی ، بسیار مقرون به صرفه است )

ضمنا" علاوه بر موارد بالا ، مهم ترین مزیت ، درواقع تولید ذرات ریزتر با اندازه به نسبت یکنواخت تر است . چرا که مواد واکنش دهنده به طور یکسان و یکنواخت تحت حرارت قرار می گیرند و منجر به هسته گذاری یکنواخت و هموژن در زمان کوتاه تری می شود و اهمیت مرحله رشد ذرات بسیار کمتر خواهد شد . نتایجی که در زیر ارائه شده است ، درواقع مقایسه ای است بین روش کاهش شیمیایی تحت رفلاکس از طریق مایکروویو ، که با استفاده از پیش ماده نیترات نقره و PVP ( 25000M_w= ) به عنوان معرف پایدار کننده در متانول صورت پذیرفته است . در اینجا به دلیل سرعت بسیار پایین واکنش در متانول ، سنتز از طریق مایکروویو در زمان بسیار کوتاه تری انجام می شود .

نتیجه گیری

برای تولید نانو ذرات فلزی هرچه واکنش ساده تر و تکرارپذیرتر باشد ، روش مربوطه مناسب تر است . زمان انجام واکنش سنتز نیز از فاکتورهای بسیار مهم تولید کاربردی نانو ذرات است ، بنابراین با در نظر گرفتن تمام این موارد ، از بین روش های ذکر شده ، واکنش کاهش یون های نقره در حضور یک پایدار کننده از طریق مایکروویو ، به نسبت مقرون به صرفه و مناسب تر است . در واکنش های سنتز فاز بخار نیز ، نانو ذرات در اندازه های به نسبت یکنواخت و هموژنی تولید می شوند و همچنین می توانیم با کنترل شرایط ، مقادیر زیادی از نانو ذرات را داشته باشیم ، اما به لحاظ تجهیزات سنتز فاز بخار و فتولیز در مقایسه با روش های دیگر بسیار پرهزینه تر هستند ، همچنین واکنش های الکتروشیمی نیز از واکنش های کاهش شیمیایی پیچیده تر بوده و در بعضی از موارد ایجاد توزیع پراکنده و یکنواخت از ذرات ، کار بسیار دشواری است . در تمام روش های سنتز ذکر شده ، از شواهد مهم تشکیل ذرات نقره در مقیاس نانو ، وجود نوار جذبی پهنی در ناحیه مرئی است . در واقع در مقیاس نانو ویژگی های خاص نوری از خود نشان می دهد که دلیل ایجاد این پیک ، برانگیختگی دسته جمعی الکترون های آزاد در ذرات ریز است . البته در صورتی که غلظت نیترات نقره یا پیش ماده ای که استفاده  می شود ، زیاد باشد و ذرات درشت نقره تشکیل شوند اثری از پیک جذبی نخواهیم داشت . طبق تئوری های از بر هم کنش نور با الکترون های ذرات ریز فلزی یک نوار جذبی به دست می آید که شکل و شدت آن به اندازه ی ذرات و چگونگی یکنواختی آن ها ، همچنین نوع حلال و تجمع و لخته شدن ذرات وابسته است . در این مقاله روش های تولید نانو ذرات نقره و مقایسه عملکرد آنها با یکدیگر را مورد بررسی قرار دادیم . 

منبع : تیم تحقیق و توسعه واحد پرک شیمی

 مطالعه مقالات زیر به شما پیشنهاد می گردد 

♦ مختصری درباره آبکاری فلزات

♦ واکنش سود مایع و سولفات مس

♦ تیزاب سلطانی ( Aqua regia ) واکنش ها و کاربردهای آن

♦ غشاهای نانو متخلخل و کاربرد آنها