基于浓差电池原理的纳米颗粒表征新方法开发及其在粒径与表面电荷测定中的应用

本综述推荐一种基于浓差电池原理的创新纳米颗粒检测技术。该方法通过测量膜电位变化，实现了对SiO2纳米颗粒的粒径估算与表面电荷极性判定，兼具成本效益与操作简便性（无需外接电源），为颗粒表征提供了新型间接测量（Indirect Measurement）解决方案。

　　

亮点

材料

本研究检测的纳米颗粒为二氧化硅（SiO₂）纳米颗粒。所考察的SiO₂纳米颗粒（型号PL-1、PL-3、PL-7和PL-10H）由Fuso Chemical Co., Ltd.提供。根据其产品目录记载，主要粒径（nm）、比重及二氧化硅含量（wt%）分别为：PL-1（15/1.07/12）、PL-3（35/1.12/20）、PL-7（75/1.14/23）和PL-10H（90/1.14/23）。实验采用五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂O）（纯度99.5%，来自Kanto Chemical Co., Inc.）。

SiO₂纳米颗粒

图2（A1）、（B1）、（C1）和（D1）展示了原始SiO₂纳米颗粒胶体溶液的照片。研究发现，胶体溶液的不透明度随SiO₂颗粒尺寸的增大而增加。这一现象可用米氏散射（Mie Scattering）理论解释：当颗粒尺寸接近或大于光波长时便会发生此效应。本研究中的颗粒尺寸从15纳米（PL-1）增至90纳米（PL-10H），逐渐接近可见光波长（约380-750纳米），从而导致散射光增强，胶体溶液外观变得更为不透明。

结论

本研究介绍了一种使用浓差电池（Concentration Cell）的颗粒测量装置。该装置由两个半电池、一个作为隔膜的径迹蚀刻聚碳酸酯膜（其孔径约为100纳米）、两个金属铜电极、高浓度与低浓度的CuSO₄溶液以及一台连接电脑的多用表构成。将SiO₂纳米颗粒胶体溶液加入低浓度半电池后，SiO₂颗粒会阻塞膜孔，导致膜电位降低，且降低程度与SiO₂颗粒浓度相关。根据此相关性得出的颗粒浓度检测限随着SiO₂颗粒尺寸的增大而减小。鉴于颗粒浓度可按重量转换为胶体溶液中的颗粒含量，研究确定可通过检测限处的颗粒含量与颗粒尺寸校准曲线来估算粒径。此外，引入带正电荷的SiO₂颗粒增强了膜表面电荷，使膜电位在初始下降后逐渐回升并超过基线。该观察结果表明，此方法有潜力用于判定未知表面电荷颗粒的电荷极性。本研究证明了使用浓差电池作为一种简单、经济高效的颗粒测量方法的可行性，该方法具备测定颗粒尺寸和表面电荷的能力。