使用流动反应器连续合成精密金纳米粒子

在过去十年中，使用流动化学合成纳米颗粒引起了极大的关注，因为它具有自动化、低成本生产高精度纳米材料的潜力，且停留时间短。流动合成的大部分研究涉及微流体系统中的单相流动研究，其中混相流体在特定流动条件下连续引入基于芯片的微流体。然而，反应器结垢、混合效率低、停留时间分布相对较宽，以及相对较低的吞吐量是台式单相微流控反应器中遇到的一些主要挑战。它们对精确控制合成纳米颗粒的性质构成了很大的障碍，特别是当系统放大时。在技术向行业转移之前，必须克服这些挑战。由于这些原因，目前的工作旨在开发一种化学流动反应器，该反应器允许连续合成具有更高通量的高精度金属纳米颗粒。

图1、双相分段流系统

双相流系统的可靠性

双相流实验连续运行 8 小时以上，没有反应器结垢。图中绘制的 DLS 数据显示，AuNP 样品的平均粒径维持在 16.9 ± 3.7 nm，与参考值（18.1 ± 3.5 nm）一致（Dong et al., 2020），p ≈ 0.59 ) 和之前的双相实验结果 (15.5 ± 4.1 nm)。胶体浓度也保持在相同的值，46.4 ± 0.7 ppm，相当于 87.5 ± 1.3 % 的产率百分比。

在不间断双相流实验中收集的 AuNP 样品的粒度和粒度分布的 DLS 测量。系统：柠檬酸盐与金的摩尔比 (3.2)、温度 (100 °C)、压力 (3 bar)、流速 (2 mL/min)、油水体积比 (1:1)、停留时间（8.7 分钟）。

为了开发更环保、更可持续的工艺，使用回收硅油进行了初步实验。使用分液漏斗将使用过的硅油从水相中分离出来，然后通过离心和真空过滤进行清洁，并在随后的实验中重复使用。使用回收的硅油可使 PDI 增加 16% ( p ≈ 4E-3)，而平均粒径不受影响 ( p ≈ 0.37)。值得注意的是，使用回收油的实验产生的样品具有较高程度的油污染，这可能是由于硅油的热降解。

在本研究中，使用柠檬酸盐还原化学在流动反应器中连续合成金纳米粒子 (AuNPs)。反应器结垢是单相实验中的一个主要问题，它影响了AuNP尺寸、尺寸分布和反应产率的一致性、重现性和精确控制。结垢的主要原因是在反应器表面附近发生异相成核反应，导致材料在那里生长和积累。通过将与水不混溶的硅油引入优先润湿反应器表面的系统，解决了结垢问题。与单相流系统相比，双相流实验中产生的 AuNPs 的尺寸分布明显更窄（PDI：0.07 ± 0.01），产率更高且更一致（约 88%），重现性为 ±6.4%。平均粒径。

建议未来研究使用二级反应器进行在线颗粒功能化，并进一步扩大现有反应器系统。这可以通过增加总流速、增加化学浓度和利用平行通道来实现。在按比例放大的流动系统中遇到的主要挑战之一是试剂混合效率低下。对于精密 AuNP 合成，确保在反应开始之前完成混合至关重要。其他挑战可能是在更高的流速下保持流动稳定性，保持 AuNPs 的稳定性，以及均匀化平行通道中的传热和传质以及压力。总体而言，本研究中开发的知识库应该能够设计可扩展的系统，用于商业上可行的大规模生产精确设计的纳米材料。

Continuous Synthesis of Precision Gold Nanoparticles Using a Flow Reactor

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