在過去十年中，使用流動化學合成納米顆粒引起了極大的關注，因為它具有自動化、低成本生產高精度納米材料的潛力，且停留時間短。流動合成的大部分研究涉及微流體系統(tǒng)中的單相流動研究，其中混相流體在特定流動條件下連續(xù)引入基于芯片的微流體。然而，反應器結垢、混合效率低、停留時間分布相對較寬，以及相對較低的吞吐量是臺式單相微流控反應器中遇到的一些主要挑戰(zhàn)。它們對精確控制合成納米顆粒的性質構成了很大的障礙，特別是當系統(tǒng)放大時。在技術向行業(yè)轉移之前，必須克服這些挑戰(zhàn)。由于這些原因，目前的工作旨在開發(fā)一種化學流動反應器，該反應器允許連續(xù)合成具有更高通量的高精度金屬納米顆粒。

圖1、雙相分段流系統(tǒng)

雙相流系統(tǒng)的可靠性

雙相流實驗連續(xù)運行 8 小時以上，沒有反應器結垢。圖中繪制的 DLS 數(shù)據(jù)顯示，AuNP 樣品的平均粒徑維持在 16.9 ± 3.7 nm，與參考值（18.1 ± 3.5 nm）一致（Dong et al., 2020），p ≈ 0.59 ) 和之前的雙相實驗結果 (15.5 ± 4.1 nm)。膠體濃度也保持在相同的值，46.4 ± 0.7 ppm，相當于 87.5 ± 1.3 % 的產率百分比。

在不間斷雙相流實驗中收集的 AuNP 樣品的粒度和粒度分布的 DLS 測量。系統(tǒng)：檸檬酸鹽與金的摩爾比 (3.2)、溫度 (100 °C)、壓力 (3 bar)、流速 (2 mL/min)、油水體積比 (1:1)、停留時間（8.7 分鐘）。

為了開發(fā)更環(huán)保、更可持續(xù)的工藝，使用回收硅油進行了初步實驗。使用分液漏斗將使用過的硅油從水相中分離出來，然后通過離心和真空過濾進行清潔，并在隨后的實驗中重復使用。使用回收的硅油可使 PDI 增加 16% ( p ≈ 4E-3)，而平均粒徑不受影響 ( p ≈ 0.37)。值得注意的是，使用回收油的實驗產生的樣品具有較高程度的油污染，這可能是由于硅油的熱降解。

在本研究中，使用檸檬酸鹽還原化學在流動反應器中連續(xù)合成金納米粒子 (AuNPs)。反應器結垢是單相實驗中的一個主要問題，它影響了AuNP尺寸、尺寸分布和反應產率的一致性、重現(xiàn)性和精確控制。結垢的主要原因是在反應器表面附近發(fā)生異相成核反應，導致材料在那里生長和積累。通過將與水不混溶的硅油引入優(yōu)先潤濕反應器表面的系統(tǒng)，解決了結垢問題。與單相流系統(tǒng)相比，雙相流實驗中產生的 AuNPs 的尺寸分布明顯更窄（PDI：0.07 ± 0.01），產率更高且更一致（約 88%），重現(xiàn)性為 ±6.4%。平均粒徑。

建議未來研究使用二級反應器進行在線顆粒功能化，并進一步擴大現(xiàn)有反應器系統(tǒng)。這可以通過增加總流速、增加化學濃度和利用平行通道來實現(xiàn)。在按比例放大的流動系統(tǒng)中遇到的主要挑戰(zhàn)之一是試劑混合效率低下。對于精密 AuNP 合成，確保在反應開始之前完成混合至關重要。其他挑戰(zhàn)可能是在更高的流速下保持流動穩(wěn)定性，保持 AuNPs 的穩(wěn)定性，以及均勻化平行通道中的傳熱和傳質以及壓力?？傮w而言，本研究中開發(fā)的知識庫應該能夠設計可擴展的系統(tǒng)，用于商業(yè)上可行的大規(guī)模生產精確設計的納米材料。

Continuous Synthesis of Precision Gold Nanoparticles Using a Flow Reactor

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