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

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

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

教師手冊（Teacher’s Guide）

教學提示

● 上課時間：教師實驗解說：約20分鐘，學生實驗操作（含器材清洗）：約40分鐘，實驗觀察記錄：約10分鐘。學生回答問題（師生問題討論或家庭作業）：約20分鐘。

● 本次實驗使用的還原劑（氫硼化鈉溶液）必須新鮮配製。若靜置半小時或一小時後再使用，則氫硼化鈉水溶液會與空氣反應而逐漸失效。若使用非新鮮配製氫硼化鈉 溶液，則只能得到黃褐色的奈米銀溶液，而非鮮黃色的奈米銀溶液，如圖七所示。若靜置超過一小時以上，則僅能合成出相當淡的橘黃色銀奈米粒子，且廷得耳效應 不明顯。再者，此淡橘黃色溶液在約一小時後就會褪色而呈無色。因此，此溶液必須在使用前新鮮配製，才可達最佳的實驗效果。

圖七 未使用新鮮的氫硼化鈉溶液會合成出淡橘黃色的銀奈米溶液

● 在進行本實驗時，學生可以透過視覺上的觀感，瞭解到雖然金屬銀（如銀鏡反應）具有灰白色的金屬光澤，但是當尺寸縮減至奈米級的尺度時，因表面電漿子共振吸收效應而呈現黃色，使學生對奈米粒子有更深刻的認知。

● 由於當氫氧化鉀與蒸餾水接觸時，會產生微量發煙並且發生放熱的現象，因此教師應該提醒學生在配製洗滌液的過程必須多加小心。

● 由於硝酸銀溶液接觸到皮膚時使皮膚產生黑色污點，需要幾天的時間才會自然脫落，因此教師應該提醒學生在使用時必須格外小心，戴乳膠手套和安全眼鏡。

● 最好選用乾淨的器具進行本實驗，未曾使用過的器具更佳。如果無去離子水和超純水，只使用蒸餾水，那麼本實驗還是可以得到如預期的結果，只是無法持續幾個星期之久。若有去離子水和超純水，則先以大量蒸餾水洗乾器具，再以去離子水沖洗乾淨，最後以超純水淋洗2次。

● 為避免潮解現象發生，在配置氫硼化鈉水溶液前，在秤量時應該盡速。新鮮配製的氫硼化鈉溶液可觀察到有微小氣泡的產生，非新鮮配製者則無小氣泡。而且新鮮配製者與硝酸銀溶液反應後依然會有小氣泡存在。

● 本次實驗的各種溶液濃度之配製和體積的量度不必過於精準也可以合成出黃色的銀奈米粒子溶液。

● 若使用銀奈米粒子溶液為黃褐色或是淡黃色溶液而非鮮黃色，在進行PVP + NaCl溶液的檢驗時，則無法維持原本的黃褐色或是淡黃色，且會轉變為橘黃色。

藥品配製

● 0.0010 M AgNO₃溶液：取0.017 g的AgNO₃固體，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入約50 mL的超純水（或蒸餾水），搖晃促使AgNO₃的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL，配製好之後必須蓋緊瓶蓋。

● 0.0020 M NaBH₄溶液：取0.018 g的NaBH₄粉末，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入約50 mL的超純水（或蒸餾水），搖晃促使NaBH₄的顆粒完全溶解後，再稀釋溶液至總體積100 mL，配製好之後必須蓋緊瓶蓋。
註：由於NaBH₄容易潮解，因此在秤量時要相當迅速。

● 0.3 % PVP溶液：取0.3 g的PVP，置入一個乾淨的100 mL的容量瓶（或錐形瓶）中，加入超純水（或蒸餾水），加熱促使PVP的顆粒完全溶解，再稀釋溶液至總體積100 mL，配製好之後必須蓋緊瓶蓋。

● 1.5 M NaCl溶液：取8.8 g的NaCl，置入一個乾淨的小錐形瓶中，加入超純水（或蒸餾水），搖晃促使NaCl顆粒完全溶解，再稀釋溶液至總體積100 mL，配製好之後必須蓋緊瓶蓋。

觀察記錄樣本

1. 記錄在合成銀奈米粒子的過程中，反應溶液顏色的變化情形。

記錄：原本的氫硼化鈉溶液為澄清無色，當加入硝酸銀溶液後，漸漸地產生黃色，如圖八的左圖所示。加入約1.5~2 mL的硝酸銀溶液時，產生清晰的亮黃色。加入全部的硝酸銀溶液後，溶液的顏色呈現較深的黃色，如圖八的右圖所示。

圖八 硝酸銀溶液滴加約2 mL時（左）和10 mL時（右）的銀奈米顏色

2. 記錄未加入穩定劑的銀奈米粒子溶液淨置5~10分鐘，溶液顏色的變化情形。

記錄：顏色會慢慢地由亮黃色轉變為暗黃色，最後變成溶液含有黑色混濁物，如圖九所示。

圖九 由左而右為銀奈米溶液在合成後逐漸變色的情形

3. 記錄滴加1滴的1.5 M NaCl溶液到銀奈米粒子溶液後，溶液顏色的變化情形以及廷得耳效應。

記錄：當加入NaCl水溶液後，銀奈米粒子溶液的黃色消失，並且出現黑色懸浮液，久置出現沉澱物，如圖十所示。

圖十 銀奈米粒子溶液（左）加入食鹽水產生黑色懸浮液（右）

記錄：以雷射筆的雷射光束射入銀奈米溶液會產生一道光徑，有廷得耳效應。食鹽水溶液則不會產生一道光徑，無廷得耳效應。然而銀奈米粒子加入食鹽水後，溶液 變成黑灰色懸浮液，以雷射光束照射也會產生一道光徑，亦有廷得耳效應，如圖十一所示。此溶液長久靜置後，以雷射光束照射，產生光徑的強度變小，廷得耳效應 降低。

圖十一 食鹽水（左）、銀奈米溶液（中）及其加食鹽水後（右）的廷得耳效應

4. 記錄滴加1滴的0.3 % PVP水溶液到銀奈米粒子溶液後，再加入1滴的1.5 M NaCl溶液，溶液顏色的變化情形以及廷得耳效應。。

記錄：滴加PVP水溶液到銀奈米粒子溶液後，溶液顏色並無任何改變，之後再加入食鹽水溶液也無發生任何改變，溶液顏色依舊維持亮黃色，如圖十二所示。

圖十二 銀奈米溶液（左）與加入PVP和食鹽水的銀奈米溶液（右）之顏色

參考答案

1. 本次實驗所有的器具需用洗滌液清洗的原因，是為了要避免內壁上殘留的污染物而在反應時干擾銀奈米粒子的形成。若有殘留的污染物，則製得的銀奈米膠體溶液無法長久保存，靜置幾個星期黃色溶液就產生黑色沉澱物。

2. 因為膠體溶液的粒子直徑在10^-7 ~ 10^-9 m之間，可分散光線，所以有廷得耳效應。本次實驗若有合成出奈米級的粒子（其粒子直徑為10^-9 m的尺度），則可以應用廷得耳效應作為簡易的檢驗方法。

3. 銀奈米粒子溶液能穩定的形成原因，是粒子外圍有一層由氫硼根離子所組成的負電荷層，使銀奈米粒子相互排斥而均勻地分散在溶液中，而如圖十三所示。若加入食 鹽水溶液，鹽類解離產生的離子與氫硼根離子發生作用，進而造成此負電荷層遭受破壞，使得銀奈米粒子相互凝聚而沉澱析出。

圖十三 銀奈米粒子的負電荷層之間具有排斥力

4. 配製好的氫硼化鈉溶液，在靜置的過程中會不斷與空氣反應，產生硼酸鈉（sodium borate, NaBO₂），其反應如反應式[2]所示。因此，在進行合成時，硼酸鈉在水中解離鈉離子和硼酸根離子而降低銀奈米粒子的負電荷層之間的排斥力，造成合成銀奈米粒子不如預期的鮮黃色。

NaBH₄(aq) + 2O₂(g) → NaBO₂(aq) + 2H₂O(l)    [2]

5. 因為PVP為一種聚合物，能包覆在負電荷層外使負電荷層更加穩定，所以即使後來再加入食鹽水溶液，也無法破壞負電荷層，銀奈米粒子間的排斥力也就能穩定存在，不會受食鹽水影響而產生凝聚的現象。

參考資料和延伸閱讀

1. Silver nanoparticles, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Silver_nanoparticles .
2. Silver Nanoparticles, nanoComposix, http://nanocomposix.com/products/silver.
3. Synthesis of Silver Nanoparticles, http://mrsec.wisc.edu/Edetc/nanolab/silver/.
4. Preparation of Silver Nanoparticles and Their Characterization, http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=2318.
5. 高中職奈米材料課程實驗之設計－利用化學與電化學還原法製備銀奈米粒子，http://140.127.36.251/all_news/9 … )/奈米銀305-312.pdf。
6. 奈米銀，科學發展，http://web1.nsc.gov.tw/public/Data/popsc/2006_142/32-39.pdf。