基于液滴微流控技术的ZnO纳米材料的合成研究

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纳米材料主要通过沉淀法、水/溶剂热法、溶胶-凝胶法和模板法等传统的化学方法合成。然而,通过这些传统的方法来精确控制纳米材料的单分散性、尺寸、形态、形状、结构和组分仍然具有很大的挑战。液滴微流控技术的出现,为纳米材料的合成提供了一个新途径。液滴微流控技术在材料合成方面的应用具有两个显著的优势:(1)在限域空间内可实现快速的传热、传质;(2)流体的精确操控可达纳升和皮升水平。因此,本文以微液滴为反应器实现氧化锌(ZnO)纳米材料的可控合成。主要内容如下:1.设计并制备了一个集“T”型、“Y”型和“S”型结构的微流控芯片。其中,“T”型结构用于产生液滴,而“Y”型和“S”型结构可实现对液滴的操控即液滴的融合与液滴内溶液得快速混合。通过仿真和实验,分析了液滴的形成、融合及混合过程。此外,进一步探究了液滴的尺寸与流体流量的关系,研究了在不同的油相流量(300-700μL/h)、水相流量(30-105μL/h)情况下,液滴尺寸的变化。当连续相流量固定时,液滴的尺寸随着分散相流量的增大而变大;当分散相流量固定时,液滴的尺寸随着连续相流量的增大而变小。2.利用液滴微流控芯片合成ZnO纳米材料,分别以醋酸锌、硝酸锌和硫酸锌作为锌源,调节合成温度、锌盐溶液和氨水溶液流量比(60:30、60:60和60:90)实现可控合成。以醋酸锌为锌源时,制备出尺寸在75 nm-232 nm之间的ZnO纳米颗粒;在合成温度为90℃、锌盐溶液与氨水溶液流量皆为60μL/h时,颗粒尺寸最小,约为75 nm。在以硝酸锌为锌源时,合成的ZnO纳米颗粒主要为尺寸在31 nm-107 nm范围内的颗粒;当温度增高时,合成的ZnO纳米材料从颗粒状转变为花状,尺寸从31 nm逐渐增大到326 nm。在以硫酸锌为锌源时,合成的ZnO纳米材料主要为六边形纳米盘;当合成温度为85℃、锌盐溶液流量与氨水溶液流量皆为60μL/h时,ZnO纳米盘厚度最小。结果表明,利用液滴微流控技术对合成条件进行调控,实现了不同尺寸、不同形貌的ZnO纳米材料的可控合成。利用醋酸锌合成ZnO纳米颗粒并用于荧光标记蛋白的检测,合成温度为90℃的纳米颗粒的荧光增强性能为最显著。
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