微流控反应器制备纳米颗粒材料优势

纳米材料的传统制备方法分为物理方法和化学方法。物理方法，如溅射法、真空沉积法、球磨法等，仪器设备昂贵，且制备的裸纳米材料产量低、易氧化、团聚严重。湿化法，如反相胶束法、聚合物模板法、高温水解法，均是在液相中合成纳米材料，材料表面一般带有有机稳定分子，以防止制备的纳米材料团聚和氧化。但液相合成法大多需要较高的反应温度(200℃)，因此限制了较多溶剂和试剂的使用，且后期还需多步纯化来获得稳定的产品。同时，在合成过程中很难实现对反应条件的精确控制，在制备核壳结构、多级结构等复杂纳米材料方面仍面临着巨大的挑战。因此，发展高质量纳米材料的制备方法和制备平台以及高效的纳米分析方法具有十分重要的研究意义。

 微流控芯片技术是将化学反应(包括进样、混合、反应、分离、检测)集成到一个微小芯片上来实现的一门新兴科学技术，具有微型化、集成化的特点。与传统制备方法相比，采用微流控技术制备纳米材料具有粒径形态可控、单分散性、绿色环保且低耗等优势。因其微米数量级的通道结构、优良的液滴和流型操控性能、较快的传热传质速度等特点，微流控技术已广泛应用于金属粒子、氧化硅、纳米沸石、量子点、金属有机骨架材料(MOF)等微纳米材料的高效合成中，该技术方法具有制备时间显著缩短、产品尺寸均一度好等优点。同时，还能通过耦合多步合成过程制得微纳复合颗粒，如CdS/ZnS核壳量子点、Co/Au核壳纳米粒子和核壳结构MOF微粒等，这些功能性微球因其优良的物理化学性质而广泛地应用于化学、光学、电子、医学等领域中。

金属纳米颗粒由于其自身优异的光、电以及热性能赋予其在电学和光学器件、介电材料、生物成像和高导热流体等方面有潜在的应用前景。目前，已有研究者于微流体反应器中成功合成出金、银、铜和钯等金属纳米颗粒。

Michael Kohler等利用微流体反应器，将NaBH4溶解在10 mmol/L NaOH中，在聚苯乙烯磺酸钠的存在下还原硝酸银得到了银纳米颗粒。此材料可以作为合成各向异性颗粒的晶种；在此基础上，又成功合成出尺寸在30～600μm的银纳米颗粒原位嵌入的聚合物纳米粒子，原位嵌入的银纳米颗粒作为之后接下来银离子沉积的晶核，从而实现了具有表面增强拉曼光谱传感功能的聚合物微粒的合成。Fu等利用三通道的微流控芯片，以氯代十六烷基三甲基铵(CTAC)为保护剂，NaBH4为还原剂，在室温下合成出具有超薄折叠结构的金纳米片。通过调节流体流速，可以获得厚度从小于1 nm到几个纳米范围的金纳米片材料，电化学检测显示该材料在葡萄糖氧化过程中显示出非常高的活性；在此基础上，该课题组利用简易Y型反应器，在炭黑的存在下，以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为稳定剂，在NaBH4存在下还原H2PtCl6得到尺寸均一的Pt/C纳米催化剂，扫描电子显微镜(SEM)结果显示，材料具有良好的单分散特性，在90μL/min流速下得到Pt纳米粒子尺寸为2.8 nm。电化学测试表明，此材料无论在燃料电池正极和负极的电催化反应中均有很好的活性。

总之，相较于传统合成工艺，利用微芯片反应器合成金属纳米颗粒具有产率高、产物尺寸均一、单分散性等优点。基于微反应器的合成方法产品用量少，可以实现反应条件的精确控制，在连续大量合成具有特定形貌、尺寸及晶体结构的纳米材料方面有广阔的发展前景。

由于微芯片反应器合成纳米材料具有耗样少、产率高、操作简单等优异特性，已经被越来越多地应用于纳米材料的合成研究中。。微流体纳米材料合成方法成功地解决了传统批量合成存在的问题，使得所合成材料形态可控，粒径分布窄，几乎达到了单分散性分布，开启了纳米材料合成的新方向。但是，基于微流控技术合成纳米材料还面临着许多挑战与创新，要制备高质量的微纳米材料，除了微芯片的通道结构设计以外，在时间、空间上对温度、浓度梯度、流速、pH值、介电常数等反应条件的精确控制也是关键因素。分析方法在微流体合成系统中的集成与在线分析是发展通用微流体制备平台和仪器的必然趋势。实现多维度合成以及实时监测一体的微流控合成体系仍然需要不断的探索研究。