化學實驗室實驗：銀奈米粒子的合成（Synthesis of Silver Nanoparticles）［I］

化學實驗室實驗：銀奈米粒子的合成（Synthesis of Silver Nanoparticles）［I］
國立彰化師範大學化學系學生羅翊瑋 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

實驗介紹

本實驗的目的是透過化學方法來合成銀奈米粒子，利用氫硼化鈉當作還原劑，還原銀離子為銀金屬，並利用安定劑穩定銀奈米粒子。本實驗應用廷得耳效應（Tyndall effect）以雷射筆照射的散射現象來鑑定奈米級銀粒子，如圖一所示。

圖一 食鹽水（左）、銀奈米溶液（中）及其加食鹽水後（右）的廷得耳效應

實驗原理

一、 奈米材料

任何材料的尺寸，在三個維度中，至少一個維度的長度是奈米級，稱之為「奈米材料」。由於奈米材料的微小尺寸，出現兩個基本特徵：(1) 表面原子數激增 ─ 也就是說表面積對體積的比例大增，而許多材料的性質與裸露在材料表面上的原子數有直接的關係。例如，非均相催化性質，反應物有效地吸附在催化劑的表面上以 利催化反應的進行，若催化劑為奈米的形式，則奈米所擁有的巨大表面積就能有效地能協助反應物的吸附以提升催化效果。(2) 量子效應 ─ 此量化的現象不同於巨觀世界中能量是連續的狀況。對奈米材料而言，當材料的尺寸由巨觀縮小至接近於數個原子或分子的大小時，其能量狀態的分布由連續轉變為量化的狀態，繼而明顯地影響奈米材料的許多性質。

科學家發現不同粒徑的半導體奈米粒子的價電子以照光的方式激發至導帶後，該價電子會自發性地將能量以光的形式釋放而到穩定的價帶。由於不同的粒徑具有不同的能隙大小，因此我們便可以利用此特性製造出不同的奈米半導體，進而得到它們所釋放出之不同顏色的光。

金屬銀的化學性質穩定，表面不易氧化，而能常保有銀白色的金屬光澤，具有優良的導熱性和導電性。以銀奈米粒子的光學特性為例，當肉眼可見的金屬銀研磨成奈 米級的大小後，其顏色由本來的銀白色轉變成鮮黃色。此現象的成因是各種金屬奈米粒子都會與特定的電磁輻射作用，使奈米粒子的自由電子被極化，隨著光波震 盪，此現象又被稱為表面電漿子共振。各種金屬奈米粒子都會具有其特定的吸收光譜帶，而銀奈米粒子的特定吸收波帶大約在410 nm，此波長是銀奈米粒子吸收可見光譜範圍的光，使得我們看到其互補色的黃光。

二、 奈米銀的合成

目前銀奈米粒子合成有多種的化學方法。通常，這些方法涉及銀離子的還原成金屬銀，例如硝酸銀（silver nitrate）在膠體的穩定劑中用還原劑（如硼氫化鈉，sodium borohydride）還原銀奈米粒子。使用鈉硼氫化物可以與聚乙烯醇（polyvinyl alcohol, PVA）、聚乙烯基吡咯烷酮（poly(vinylpyrrolidone), PVP）、牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA），檸檬酸根（citrate）或纖維素（cellulose）作為穩定劑。在還原的過程中，BSA中含硫、氧和氮的官能基能夠降低銀奈米粒子的高 表面能。在纖維素上的羥基能夠幫助穩定銀奈米粒子。檸檬酸和纖維素也可以當作還原劑，單獨地被使用來合成銀奈米粒子。

本實驗的銀奈米粒子合成是透過加入過量的氫硼話鈉（NaBH₄）溶液至硝酸銀（AgNO₃）溶液，如反應式[1]所示。

2AgNO₃ + 2NaBH₄ (還原劑)→ H₂ + B₂H₆ + 2NaNO₃ + 2Ag(銀奈米粒子)  [1]

在合成銀奈米粒子的過程中，最重要的關鍵在於如何避免金屬微粒繼續長大，或者因彼此凝聚而變大，其中有不少的化學技巧可以使用，尤其是各種穩定劑的應用， 穩定劑會吸附在微粒的表面上，抑制銀奈米粒子的凝聚。有些穩定劑會選擇性地吸附在特定的晶面上，使得長出來的銀微粒具有特定的形狀，例如球形、三角形、絲 狀或四方形的晶體，如圖二所示。

圖二 銀奈米粒子的四種型態：球形銀（左上）、三角形銀（右上）、銀絲（左下）和方塊銀（右下）。 圖片來源：科學發展，http://web1.nsc.gov.tw/public/Data/popsc/2006_142/32-39.pdf

器材和藥品

1. 錐形瓶（125 mL）  1個/組
2. PE滴管（3 mL）  3支/組
3. 電磁加熱攪拌器  1台/組
4. 攪拌磁子  1個/組
5. 試管  3支/組
6. 樣品瓶（5 mL）  1個/組
7. 乳膠手套  1雙/人
8. 雷射筆  1支/組
9. 氫氧化鉀（Potassium hydroxide, KOH）  60 g/多組
10. 藥用酒精（95% ethanol，95%乙醇）  500 mL/多組
11. 0.0010 M硝酸銀（Silver nitrate，AgNO₃）  15 mL/組
12. 0.0010 M氫硼化鈉（Sodium borohydride，NaBH₄） 35 mL/組
13. 1.5 M氯化鈉（Sodium chloride，NaCl）  5 mL/組
14. 0.3% PVP（Polyvinylpyrrolidone）  1~3滴/組
15. 蒸餾水  約50 mL/組
16. 滴定管  1支/組
17. 量筒  1個/組
18. 漏斗  1個/組

連結：銀奈米粒子的合成（Synthesis of Silver Nanoparticles）［II］