在過去十年中，使用流動(dòng)化學(xué)合成納米顆粒引起了極大的關(guān)注，因?yàn)樗哂凶詣?dòng)化、低成本生產(chǎn)高精度納米材料的潛力，且停留時(shí)間短。流動(dòng)合成的大部分研究涉及微流體系統(tǒng)中的單相流動(dòng)研究，其中混相流體在特定流動(dòng)條件下連續(xù)引入基于芯片的微流體。然而，反應(yīng)器結(jié)垢、混合效率低、停留時(shí)間分布相對(duì)較寬，以及相對(duì)較低的吞吐量是臺(tái)式單相微流控反應(yīng)器中遇到的一些主要挑戰(zhàn)。它們對(duì)精確控制合成納米顆粒的性質(zhì)構(gòu)成了很大的障礙，特別是當(dāng)系統(tǒng)放大時(shí)。在技術(shù)向行業(yè)轉(zhuǎn)移之前，必須克服這些挑戰(zhàn)。由于這些原因，目前的工作旨在開發(fā)一種化學(xué)流動(dòng)反應(yīng)器，該反應(yīng)器允許連續(xù)合成具有更高通量的高精度金屬納米顆粒。

圖1、雙相分段流系統(tǒng)

雙相流系統(tǒng)的可靠性

雙相流實(shí)驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行 8 小時(shí)以上，沒有反應(yīng)器結(jié)垢。圖中繪制的 DLS 數(shù)據(jù)顯示，AuNP 樣品的平均粒徑維持在 16.9 ± 3.7 nm，與參考值（18.1 ± 3.5 nm）一致（Dong et al., 2020），p ≈ 0.59 ) 和之前的雙相實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (15.5 ± 4.1 nm)。膠體濃度也保持在相同的值，46.4 ± 0.7 ppm，相當(dāng)于 87.5 ± 1.3 % 的產(chǎn)率百分比。

在不間斷雙相流實(shí)驗(yàn)中收集的 AuNP 樣品的粒度和粒度分布的 DLS 測(cè)量。系統(tǒng)：檸檬酸鹽與金的摩爾比 (3.2)、溫度 (100 °C)、壓力 (3 bar)、流速 (2 mL/min)、油水體積比 (1:1)、停留時(shí)間（8.7 分鐘）。

為了開發(fā)更環(huán)保、更可持續(xù)的工藝，使用回收硅油進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)。使用分液漏斗將使用過的硅油從水相中分離出來，然后通過離心和真空過濾進(jìn)行清潔，并在隨后的實(shí)驗(yàn)中重復(fù)使用。使用回收的硅油可使 PDI 增加 16% ( p ≈ 4E-3)，而平均粒徑不受影響 ( p ≈ 0.37)。值得注意的是，使用回收油的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的樣品具有較高程度的油污染，這可能是由于硅油的熱降解。

在本研究中，使用檸檬酸鹽還原化學(xué)在流動(dòng)反應(yīng)器中連續(xù)合成金納米粒子 (AuNPs)。反應(yīng)器結(jié)垢是單相實(shí)驗(yàn)中的一個(gè)主要問題，它影響了AuNP尺寸、尺寸分布和反應(yīng)產(chǎn)率的一致性、重現(xiàn)性和精確控制。結(jié)垢的主要原因是在反應(yīng)器表面附近發(fā)生異相成核反應(yīng)，導(dǎo)致材料在那里生長(zhǎng)和積累。通過將與水不混溶的硅油引入優(yōu)先潤(rùn)濕反應(yīng)器表面的系統(tǒng)，解決了結(jié)垢問題。與單相流系統(tǒng)相比，雙相流實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的 AuNPs 的尺寸分布明顯更窄（PDI：0.07 ± 0.01），產(chǎn)率更高且更一致（約 88%），重現(xiàn)性為 ±6.4%。平均粒徑。

建議未來研究使用二級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行在線顆粒功能化，并進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)有反應(yīng)器系統(tǒng)。這可以通過增加總流速、增加化學(xué)濃度和利用平行通道來實(shí)現(xiàn)。在按比例放大的流動(dòng)系統(tǒng)中遇到的主要挑戰(zhàn)之一是試劑混合效率低下。對(duì)于精密 AuNP 合成，確保在反應(yīng)開始之前完成混合至關(guān)重要。其他挑戰(zhàn)可能是在更高的流速下保持流動(dòng)穩(wěn)定性，保持 AuNPs 的穩(wěn)定性，以及均勻化平行通道中的傳熱和傳質(zhì)以及壓力?？傮w而言，本研究中開發(fā)的知識(shí)庫應(yīng)該能夠設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的系統(tǒng)，用于商業(yè)上可行的大規(guī)模生產(chǎn)精確設(shè)計(jì)的納米材料。

Continuous Synthesis of Precision Gold Nanoparticles Using a Flow Reactor

https://doi.org/10.14356/kona.2022011