实验12 银纳米颗粒的制备及表面等离子共振效应的观察
一、实验目的
① 掌握基本的无机化学实验操作方法。
② 掌握学习分步法制备银纳米棱柱。
③ 观察不同尺寸银纳米棱柱的等离子共振吸收现象。
二、实验原理
（1）如图12.1所示，利用两步法，通过控制种子溶液、生长溶液的比例，得到尺寸可控的银纳米晶
图12.1 球状颗粒向三角形银纳米片转变的过程示意图
本实验中用聚苯乙烯磺酸钠（PSSS）作为表面保护剂，柠檬酸钠和抗坏血酸共同还原硝酸银得到银纳米颗粒。将银纳米颗粒作为晶种，再次加入硝酸银的溶液中，再用硼氢化钠继续还原，以先制备的颗粒作为种子，可以得到具有窄尺寸分布的三角形银纳米柱。得到的三角银单分散性好，可以精确调控三角银纳米柱的厚度。
（2）不同尺寸的银纳米晶具有不同的等离子共振吸收峰位，表现出多种颜色
表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。对于金属纳米颗粒，表面等离子体波将被局域在金属纳米颗粒的边界附近，形成局域化的表面等离子体振荡（localized surface plasmon resonance）。空间局域化后，由于不确定原理得知，波矢匹配的条件很容易满足（空间不确定度很小，波矢不确定度很大，表面等离子体的色散关系曲线近似于平行x轴的直线），局域化的表面等离子体振荡因而可以很容易被远场辐射过来的光波激发。这种局域化的表面等离子体振荡的能量可以从金属纳米颗粒的吸收/散射光谱上的共振峰位置读出来。
金属的表面等离子体共振峰位置和强度受到很多因素的影响，如金属表面介质的介电常数，金属颗粒的形状、尺寸、分布等。在本实验中，通过两步法能够可控调节银纳米颗粒的形状及尺寸，因此可以观察到与此相对应的表面等离子共振峰位的变化。从直观上看即溶液的颜色发生变化。
三、实验设备与材料
① 设备：加热磁力搅拌器、分析天平、微量移液器、玻璃仪器烘干器、称量纸、药匙、5mL量筒、50mL量筒、100mL烧杯、50mL烧杯、100mL锥形瓶、50mL试样瓶、玻璃滴管、搅拌磁子、玻璃搅拌棒、针管（带针头）、三角瓶刷、试管刷。
② 试剂：柠檬酸钠、聚苯乙烯磺酸钠（PSSS）、硼氢化钠、硝酸银、抗坏血酸（2，3，4，5，6-五羟基-2-己烯酸-4-内酯）。
四、实验流程
实验流程
五、实验步骤与方法
第一步、种子的制备。
（1）称量及配制
称量并配制各种药品的水溶液：柠檬酸钠（0.01g，5mL），聚苯乙烯磺酸钠（0.02g，2mL），硼氢化钠（0.01g，1.5mL），硝酸银（0.01g，10mL）。其中，硝酸银提供银源，硼氢化钠作为还原剂（强），柠檬酸钠作为还原剂（弱），聚苯乙烯磺酸钠作为表面活性剂。
（2）制备过程
① 分别将配制好的柠檬酸钠，聚苯乙烯磺酸钠，硼氢化钠水溶液倒入锥形瓶中（锥形瓶中放好磁子），缓慢搅拌（磁力搅拌器转速为20rpm）。
② 将硝酸银通过滴管缓慢、匀速滴入锥形瓶中。
③ 待硝酸银滴加完毕，反应10min左右至溶液颜色不再变化。种子溶液颜色为黄色。
第二步、银纳米片的制备。
（1）称量及配制
称量并配制各种药品的水溶液：抗坏血酸（0.01g，1mL），柠檬酸钠（0.01g，1mL），硝酸银（0.008g，10mL），上一步中配置好的种子溶液。
（2）制备过程
① 先在样品瓶中倒入5mL去离子水，加入100μL抗坏血酸（0.01g，1mL）、0.5mL柠檬酸钠（0.01g，mL）。
② 将样品瓶放在磁力搅拌器上缓慢搅拌（比种子溶液的搅拌速度慢，转速15r/min）。
③ 加入（实验变量）不同量的种子溶液（20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、80μL、100μL）。
④ 用针管每3min一次性滴加0.1mL硝酸银溶液。观察并记录溶液的颜色变化。
⑤ 一共滴加1mL硝酸银溶液（大约经过30min）。
⑥ 反应结束后，观察并记录不同量种子溶液制备得到的溶液的颜色。
六、数据记录与处理
① 20μL的种子层溶液随着滴加硝酸银的不同的颜色变化。
② 种子及不同量的种子溶液配制得到的溶液的颜色。
七、注意事项
① 硝酸银见光分解，因此在称量、配置的过程中，需要注意避光。可用锡纸将称量、配置容器包覆起来。并且要最后一个称量。
② 需要严格控制反应速度，反应过快，将导致在低种子液浓度下也产生大尺寸颗粒，使溶液颜色的辨识度下降。
③ 注意实验室防火、防止触电、不要让皮肤接触到药品。玻璃仪器要小心轻拿。
八、思考题
按照种子量的不同，最终的产物尺寸应该发生怎样的变化？对应的吸收峰位应该怎样变化？最终的溶液颜色应该是怎样的？
参 考 文 献
[1] 栾健.银纳米粒子表面等离子共振特性研究[D].长春理工大学硕士学位论文，2013.
[2] 周吉.银纳米材料可控合成及其在表面增强光谱中的应用研究[D].吉林大学博士学位论文，2009.