夏幼南

daxiong

夏幼南，贵金属纳米晶连续自动化量产！

本文亮点

1. 实现了贵金属纳米晶的规模化与自动化生产；

2. 贵金属纳米晶产品具有较统一的尺寸和良好的形貌；

3. 生产率大幅度提高。

具有特定形貌的贵金属纳米晶在催化，光电，传感和成像等领域一直扮演重要角色。由于特定形貌的贵金属纳米晶在合成和保存过程中具有非常大的不稳定性，扩大化生产往往无法保持其原有的物化性质。所以，贵金属纳米晶目前仅仅处于学术研究阶段，实现其工业化生产具有非常大的局限性。

为了实现扩大化生产，目前一般有两种方案：

1）通过切换到更大批次的反应器来增加反应量；

2）将反应溶液分成连续的液滴，来降低其反应体积。

对于第一种方案来说，很难保证产品的质量和可重复性，原因在于贵金属纳米晶生长过程中有很多制约因素（比如：反应试剂的加入方式，对放热与吸热反应的热处理方式，反应物和热量的传递速度）。上述参数随着容器体积的增加很难实现线性增长，一旦体积变大，产品质量很难得到保证。

对于第二种方案来说，研究者探索了微流体和毫流体两种液滴反应装置来实现其目的。这种液滴反应器能够实现质量和热量的快速传输，参数的有效控制以及原料的有效利用。但是在合成过程中，低通量，不可逆的反应器污染以及复杂的制造过程是其规模化生产的障碍。

目前，毫流体液体反应器具有更大的反应容积，其整合了聚合管和硅油毛细管，该装置已经成功制备了某些贵金属纳米晶（Pd立方块, Au纳米棒，Ag三角形纳米晶）。另外，该反应器还整合了一些其他技术（x射线散射、光致发光和紫外线−vis光谱学原位表征）用于高效分析反应动力学和精确调控其成核与生长过程。然而，目前地这种液滴反应器依旧存在某些缺点，无法进行自动化生产。操作员需要人工收集硅油和水的混合液，并从中分离出胶质纳米晶。而且这些分离和净化过程只能小规模，分批次进行，严重降低了微滴反应器的生产速率。若能将人工操作发展为自动化操作，其生产速率将会大幅度增加。

有鉴于此，美国佐治亚理工学院夏幼南教授课题组设计了一种可用于自动化和规模化生产贵金属纳米晶的微滴反应器，可用于生产尺寸和形貌均匀的纳米晶。

图1 自动化微滴反应器

该设备主要包括四个部分：

1）反应器

2）冷冻装置

3）水油分离装置

4）净化装置。

其中反应器是用来混合反应原料并保证足够长时间来实现晶体的可控成核和生长。冷凝装置能够快速降低产品的温度，以保证纳米颗粒具有较高的组成，形貌和尺寸。

而水油分离装置是通过带孔的聚四氟乙烯管改造的，通过毛细管作用，将硅油从聚四氟乙烯管壁的小孔中去除，以促进湿润，油相作为载相。水油分离装置还实现了交叉流过滤装置与微滴反应器系统的集成，从而选择性去除未反应的前体、杂质、表面活性剂、还原剂以及具有不理想尺寸或形状的副产品，从而得到理想的产品。

最后，包含纳米晶的液相在净化装置完成分离步骤，除去前驱体，还原剂和表面活性剂。该微滴反应器能够把纳米线从纳米颗粒中分离出来。研究者以Pd纳米晶为例来阐述该装置在纳米晶生产上的用途。