卷对卷电沉积：绿色可控大规模合成金属基纳米材料

原创 Cell Press CellPress细胞科学 收录于话题#Cell Press论文速递75个

物质科学

Physical science

近日，清华大学伍晖课题组成功开发了一种将电沉积与剥离技术结合的连续旋转电沉积（Rotating Electrodeposition and Separation, REDS）合成装置，该装置利用电化学还原过程将纳米颗粒沉积在连续旋转的基底表面，之后通过机械剥离的方法获得分散的金属纳米材料。REDS技术提供了一种可控的、可规模化、绿色低成本制备高质量纳米颗粒的新方法。相关结果发表在Cell Press期刊Matter上。

▲长按识别二维码阅读论文

研究亮点：

1. 适用于合成金属单质、合金和金属氧化物等多种材质纳米材料的通用方法

2. 利用高速旋转过程可以可控调节纳米颗粒的形核生长过程并控制材料的大小与形貌

3. 将卷对卷电沉积工艺取代传统化学液相还原法可以降低工业生产银纳米颗粒过程中约90%的加工成本

研究背景:

金属纳米颗粒的可控合成对基础科学研究以及实际工业应用都十分重要。目前常用的合成金属纳米颗粒的方法为化学还原法，实际工业生产中金属块体材料到金属纳米材料的加工过程需要经历金属块体溶解为金属盐以及金属盐还原成为纳米材料这两个步骤，需要使用大量试剂和表面活性剂，并且会产生大量的固体和液体废料。一种绿色的、可控的、可大规模生产高质量金属纳米颗粒的技术对于工业应用以及可持续发展十分重要。

▲图1. 卷对卷电沉积装置示意图

要点1：REDS方法合成大小形貌可调的金属银纳米颗粒

REDS方法中，高速旋转过程通过控制材料的形核生长时间以及电沉积过程中的传质速率和反应速率，进一步可以控制材料的大小和形貌，为可控合成多种不同的纳米材料提供了一种新思路。

▲图2. 不同转速下合成的银纳米颗粒

▲图3. REDS方法合成的多种形貌的银纳米材料

要点2：电沉积材料与基底之间粘附力弱易剥离

通过选择合适的基底，使得电沉积银纳米颗粒与不锈钢基底之间的粘附力足够小，为10-9 N的量级，保证银纳米材料易剥离易收集。并且由于所需的剥离强度很低，收集过程不损伤银纳米材料以及基底表面。

▲图4. 银纳米颗粒与不锈钢基底之间粘附力测试

要点3：可印刷银电子浆料

利用REDS方法合成的银球状纳米颗粒，可以制备性能优异的导电浆料，用于印刷近场通信标签和触摸屏面板等电子器件。

▲图5. 收集的不同尺寸银纳米颗粒以及银浆印刷的电子电路

要点4：适用于合成多种材料的通用方法

REDS方法适用于合成多种不同的金属基纳米材料，包括金属单质纳米颗粒(如Ag、Au、Ni、Cu)、合金纳米颗粒(如FeCoNi和FeCoNiW)和金属氧化物纳米材料(如Co3O4)等。

▲图6. REDS方法合成的多种单质和合金纳米颗粒

小结:

综上所述，作者将电沉积与卷对卷系统结合，设计了卷对卷电沉积制备金属基纳米颗粒的新装置。该装置将电化学形核与材料的物理剥离收集两个过程结合在一起，用于控制电沉积过程中的金属基纳米颗粒的生长过程以及收集金属基纳米颗粒。REDS装置是一种通用的制备金属基纳米材料的方法，可以简化并且促进新一代金属基纳米材料的生产，用于未来各种科学研究和工业应用。

第一作者：黄雅、杨程

通讯作者：伍晖

通讯单位：清华大学

相关论文信息

相关结果发表在Cell Press期刊Matter上，

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

Metal Nanoparticle Harvesting by Continuous Rotating Electrodeposition and Separation

▌论文网址：

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30446-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.019

阅读原文