通过可扩展的盐电解法制备的微米级和金属纳米颗粒，具有特定的频率特性

《Materials Today Communications》：Micro and metal nanoparticles obtained by scalable salt electrolysis with frequential characteristics

本研究提出一种盐电解法合成高纯度金、锌、铜纳米颗粒及微颗粒的方法，采用纳米结构碳电极，无需化学还原剂或稳定剂，实现可控形貌与化学稳定性，适用于生物医学、化妆品及电磁屏蔽等领域，并探讨了其频率依赖特性。

　　金属微粒和纳米颗粒在生物医学、化妆品、纺织品抗菌和抗病毒剂、催化剂、涂料抗氧化剂以及电磁屏蔽等领域具有广泛的应用。由于其独特的物理和化学特性，这些微粒在许多方面表现出与传统材料截然不同的行为。然而，传统的合成方法通常依赖于化学还原剂和/或表面活性剂，这在一定程度上限制了它们在生物医学等领域的应用。为此，本研究提出了一种盐电解法，用于生产高纯度的金、锌和铜微粒和纳米颗粒。通过使用碳纳米结构电极进行电解，我们成功获得了Au、Zn和Cu纳米颗粒的悬浮液。扫描电子显微镜（SEM）显示，金纳米颗粒呈球形，直径范围为10至31纳米，而锌纳米颗粒的直径约为184±45纳米。铜微粒则呈现出多面体晶体结构，平均粒径约为2.0±0.8微米。所有微粒和纳米颗粒的合成均通过电解进行，无论是否应用0.5安培的电流。这种方法不仅实现了微粒和纳米颗粒的规模化生产，还能够生产出均质、高纯度、几何可控且化学稳定的金属纳米颗粒，以悬浮液和粉末形式存在。此外，我们还研究了纳米颗粒的频率依赖特性，这些特性影响了水的分子间结构以及金纳米颗粒的磁性响应。

纳米技术是指能够观察、测量、操控、组装、控制和制造至少一个维度在1至100纳米范围内的物质的技术，这种技术展现出独特的物理和化学性质。已知金属纳米颗粒，如锌、金和铜纳米颗粒，表现出与它们的块状材料显著不同的特性。纳米颗粒的应用历史悠久，在中国、印度和埃及等地，人们早在几千年前就使用它们进行生态修复和美容，同时也被工匠用于制造和装饰物品，例如著名的5世纪AD的Lycurgus杯。在西方世界，关于胶体纳米颗粒的第一篇文献可以追溯到17世纪。19世纪中叶，法拉第首次发表了关于纳米颗粒与光相互作用的科学报告，而直到大约五十年后，米（Mie）才提出了描述等离子体的开创性理论。

金属纳米颗粒在多个领域都有应用，包括健康和生物医学、化妆品、食品、多种矿物质补充剂以及作为人类、植物和细菌的营养基质。它们还因其抗菌和抗病毒特性被用于纺织品行业；作为催化剂，以提高化学反应的能源效率；由于其磁性，也被用作生物相容性材料，在电子设备、传感器和电磁屏蔽等方面具有应用价值。控制金属纳米颗粒的形状、尺寸和形貌是开发标准化生产方法的关键因素。大多数已报道的合成方法都需要使用一种或多种还原剂，如三乙酸钠二水合物、抗坏血酸、酪氨酸、水合肼等，以及多种稳定剂，如壳聚糖、三乙酸钠、聚乙烯吡咯烷酮和硅氧化物涂层，以防止纳米颗粒聚集。

其他方法涉及化学沉淀，其中盐或氧化物与络合剂、消泡剂和还原剂结合。合成过程通常在搅拌和冷却下进行，反应温度在0°C至25°C之间，这种方法已被用于生产铜纳米颗粒。Ambrusi等人（2015）的一项研究利用电化学方法在CV和HOPG基底上探讨了二元金属纳米颗粒（如Cd–Ag、Pd–Rh和Pt–Au）的形成。其他已报道的方法包括激光烧蚀，其中反应温度可以达到1500°C。一些专利描述了包含加压和加热固态粉末的过程，这些粉末作为起始材料，在过程中形成簇，随后通过激光烧蚀进行处理。还有专利描述了通过激光烧蚀生产金属氧化物纳米颗粒的工艺。在该方法中，激光束在惰性气体氛围中照射固态起始材料，无论是金属还是金属氧化物。其他合成路线包括使用微波等离子体（MIP）工艺生产Ag掺杂的ZnO纳米颗粒。

关于基于电解的合成方法，由某些天然材料制成的电极可以作为商业产品的一种低成本替代品。例如，由贵族精英石英（EShE）制成的电极，这种材料含有约94%的碳（按重量计），已显示出优异的电化学性能，其电子转移常数几乎与最佳商业电极材料相当。所有上述方法都需要使用还原剂和稳定剂、惰性气氛或激光烧蚀等特定条件，这些条件增加了生产成本，并阻碍了这些纳米颗粒合成技术在大规模工业中的应用。

本研究中生产的金属纳米颗粒在控制合成参数方面表现出更高的灵活性，并且铜、金和锌纳米颗粒的化学稳定性得到了提升。该方法通过使用配备有目标金属电极（铜、金或锌）和碳纳米结构对电极的电解池，实现了稳定金属纳米颗粒的规模化生产。所得纳米颗粒在与流体相互作用时表现出独特的频率依赖特性，以及磁性特性。总体而言，这种合成方法生产出的纳米颗粒在生物医学、生物和化学应用方面展现出广阔前景。

本研究的合成方法是一种通用的纳米颗粒电沉积系统。该方法使用一个电解池，其中包含3升或以上的盐溶液，盐溶液的浓度为5%或更高。一个由纳米结构碳涂层覆盖的铜电极作为阳极，而用于生成纳米颗粒的金属电极作为阴极。两种电极均浸入准备好的盐溶液中。在金纳米颗粒的合成过程中，施加了1.5伏特的电压和约0.5安培的电流。经过最多30天的电解后，获得了金属纳米颗粒，这些纳米颗粒沉降到电解池底部。该方法在室温下进行，无需额外的化学试剂或复杂的操作步骤，从而简化了合成过程。

本研究中采用的纳米颗粒生产方法是一种通用的电沉积系统，适用于多种金属纳米颗粒的合成。该方法通过使用一个电解池，其中包含3升或以上的盐溶液，浓度为5%或更高。一个由纳米结构碳涂层覆盖的铜电极作为阳极，而用于生成纳米颗粒的金属电极作为阴极。两种电极均浸入准备好的盐溶液中。在金纳米颗粒的合成过程中，施加了1.5伏特的电压和约0.5安培的电流。经过最多30天的电解后，获得了金属纳米颗粒，这些纳米颗粒沉降到电解池底部。该方法在室温下进行，无需额外的化学试剂或复杂的操作步骤，从而简化了合成过程。

在本研究中，我们展示了一种基于电解的方法，用于生产能够改变水的频率响应和分子间结构的金属微粒和纳米颗粒，使用了纳米结构电极。基于物理化学表征的结果，成功合成了金、锌和铜纳米颗粒，其金属浓度通过火焰原子吸收光谱法进行定量分析。该方法可以扩展到3升的规模，并且在无需复杂条件的情况下实现了高效、低成本的生产。这种方法的可扩展性使其适用于工业生产，同时其简单性降低了对专业设备和操作人员的需求。

本研究的简单且可扩展的纳米颗粒生产方法产生出具有独特频率相关特性的稳定产品。这些特性包括高生物相容性、化学稳定性和生物相关性，特别是对哺乳动物细胞中线粒体功能和代谢起关键作用的必需金属。锌和铜等必需矿物质在典型的西方饮食中常常缺乏，而线粒体在这些情况下表现出特别的敏感性。因此，这些金属纳米颗粒的开发和应用具有重要的实际意义。它们不仅可以作为生物医学和化妆品中的有效成分，还可能用于食品补充剂和营养基质，从而改善人体健康状况。

在本研究中，我们采用了一种基于电解的方法，用于生产金属微粒和纳米颗粒。这种方法无需使用化学还原剂或稳定剂，也无需在惰性气体氛围中进行操作，从而降低了生产成本，并提高了工艺的可扩展性。通过使用碳纳米结构电极，我们实现了对纳米颗粒形状、尺寸和形貌的精确控制，确保了产品的均质性和稳定性。此外，该方法还能够生产出具有频率依赖特性的纳米颗粒，这些特性在与水或其他流体相互作用时表现出独特的行为，可能对水的分子间结构产生影响。

通过这种新的合成方法，我们获得了高纯度的金、锌和铜纳米颗粒。这些纳米颗粒在悬浮液和粉末形式下均表现出良好的化学稳定性。其频率依赖特性不仅影响了水的分子间结构，还可能对金纳米颗粒的磁性产生影响。这些特性为纳米颗粒在生物医学、化妆品、食品和环境领域的应用提供了新的可能性。同时，由于其独特的物理和化学性质，这些纳米颗粒在工业应用中展现出较高的潜力。

本研究的合成方法不仅具有简单性和可扩展性，还能够生产出均质、高纯度、几何可控且化学稳定的金属纳米颗粒。这种特性使其在多个领域具有应用价值，包括生物医学、化妆品、食品、营养补充和环境治理。通过使用碳纳米结构电极，我们实现了对纳米颗粒形状、尺寸和形貌的精确控制，确保了产品的均质性和稳定性。此外，该方法还能够生产出具有频率依赖特性的纳米颗粒，这些特性在与水或其他流体相互作用时表现出独特的行为，可能对水的分子间结构产生影响。

综上所述，本研究提出了一种新的、简单且可扩展的金属纳米颗粒合成方法。这种方法无需使用化学还原剂或稳定剂，也无需在惰性气体氛围中进行操作，从而降低了生产成本，并提高了工艺的可扩展性。通过使用碳纳米结构电极，我们实现了对纳米颗粒形状、尺寸和形貌的精确控制，确保了产品的均质性和稳定性。此外，该方法还能够生产出具有频率依赖特性的纳米颗粒，这些特性在与水或其他流体相互作用时表现出独特的行为，可能对水的分子间结构产生影响。这些特性为纳米颗粒在生物医学、化妆品、食品和环境领域的应用提供了新的可能性。同时，由于其独特的物理和化学性质，这些纳米颗粒在工业应用中展现出较高的潜力。