本發(fā)明屬于銅簇材料制備，具體涉及一種一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、銅簇材料是由銅原子組成的納米尺度金屬團(tuán)簇，通常由數(shù)個(gè)至數(shù)百個(gè)銅原子通過(guò)配位鍵與有機(jī)配體結(jié)合，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這些團(tuán)簇的尺寸介于單原子與納米顆粒之間，因此兼具分子的特性和納米材料的性質(zhì)。得益于其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)和量子尺寸效應(yīng)，銅簇材料展現(xiàn)出豐富的物理化學(xué)特性。在物理光學(xué)領(lǐng)域，銅簇材料表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)，如近紅外區(qū)熒光、聚集誘導(dǎo)發(fā)光和偏振熒光等。這些特性使其在生物標(biāo)記、熒光成像和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有潛在的廣泛應(yīng)用前景。此外，銅簇材料因其多變可調(diào)的分子結(jié)構(gòu)，以及在催化領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，也日益受到科研工作者的關(guān)注。

2、作為一種非貴金屬催化劑，銅常被用于催化烏爾曼c(diǎn)-n偶聯(lián)反應(yīng)，具有成本低廉、易于獲取且毒性較低的特點(diǎn)。銅納米團(tuán)簇在石油化工領(lǐng)域也表現(xiàn)出一定的催化作用，能夠參與氧還原反應(yīng)（orr）、催化析氫反應(yīng)（her）以及二氧化碳還原反應(yīng)（co2rr）。因此，銅簇材料在催化、光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域均展現(xiàn)出巨大的潛力，在材料科學(xué)和基礎(chǔ)研究中占有重要地位。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的持續(xù)增長(zhǎng)，銅簇材料的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)將持續(xù)向好發(fā)展。然而，目前要實(shí)現(xiàn)精確、快速且大量地組裝合成銅簇材料，在工業(yè)化方面仍面臨一定的困難。

3、目前，合成銅簇材料的方法主要包括自組裝、溶劑介導(dǎo)沉淀合成（smps）以及配體交換法等幾種途徑。溶劑介導(dǎo)沉淀合成則是近年來(lái)新興的一種技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)原子精確合成銅簇的主要手段，但它對(duì)反應(yīng)條件要求嚴(yán)格，且合成的銅簇材料容易團(tuán)聚。配體交換法則能夠制備出高質(zhì)量的一維和二維納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然而需要依賴(lài)昂貴的設(shè)備，成本較高，不太適合大規(guī)模生產(chǎn)。液相剝離法是利用2d材料的均勻液體分散體，并結(jié)合多種策略（如交替薄膜轉(zhuǎn)移、浸涂、旋涂和噴涂）來(lái)實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)層與層的組裝。盡管上述方法各有優(yōu)點(diǎn)，但它們的適用性都存在局限性。例如，中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)cn114452911a提出了一種超長(zhǎng)納米線和超長(zhǎng)納米線異質(zhì)結(jié)材料的加工方法和裝置，展示了利用微流控技術(shù)合成異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的可行性。然而，該裝置的反應(yīng)溫度范圍有限，且僅適用于某種特定異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的多步合成，實(shí)際應(yīng)用范圍較為狹窄。因此，開(kāi)發(fā)一種能夠適應(yīng)大多數(shù)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料合成的方法和設(shè)備，對(duì)于推動(dòng)異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置及方法，通過(guò)柱塞泵和星型芯片微管道精確處理反應(yīng)條件和操縱微小流體促進(jìn)銅簇原子級(jí)的定量合成，易于獲得規(guī)則均勻的銅簇產(chǎn)物。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

3、一種一步合成納米銅簇材料的方法，具體步驟為：將含銅前驅(qū)體的液相體系和還原劑體系分別導(dǎo)入具有多個(gè)連續(xù)連接星型流道單元的微流控芯片裝置中，進(jìn)行原位反應(yīng)，生成納米銅簇材料。

4、優(yōu)選地，前述含銅前驅(qū)體的液相體系為前驅(qū)體和配體的混合水溶液，前驅(qū)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%~5%，還原劑體系為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%~5%的還原劑的水溶液。

5、優(yōu)選地，前述前驅(qū)體為硝酸銅、硫酸銅、氯化銅、氫氧化銅、碳酸銅、堿式碳酸銅和堿式硫酸銅中的一種，所配體為硫代蘋(píng)果酸、半胱氨酸、囊氨酸和巰基硫醇中的一種，還原劑為硼氫化鈉、硼氫化鉀、乙醇和抗壞血酸中的一種。

6、優(yōu)選地，前述前驅(qū)體、配體和還原劑的質(zhì)量比為2~5：5~6：1.5~7。

7、優(yōu)選地，前述納米銅簇材料的粒徑為10~100?nm。

8、優(yōu)選地，前述星型流道單元內(nèi)的流速為5~1500?μl/min，反應(yīng)溫度為-10~80?℃，反應(yīng)時(shí)間為1~5?min。

9、用于一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置，包括芯片板、設(shè)置于芯片板上的混合反應(yīng)模塊和設(shè)置于芯片板內(nèi)部的換熱介質(zhì)循環(huán)腔體，混合反應(yīng)模塊包括多個(gè)連續(xù)連接的星型流道單元，混合反應(yīng)模塊的進(jìn)料端通過(guò)兩個(gè)通道分別連接兩個(gè)進(jìn)料系統(tǒng)泵。

10、優(yōu)選地，前述星型流道單元的進(jìn)口端位于其頂角處，出口端位于其尾部夾角處，相鄰兩個(gè)星型流道單元之間通過(guò)出口端和進(jìn)口端依次相連，出口端和進(jìn)口端交聚位置的夾角為50~70°，星型流道單元的內(nèi)部拐角呈連續(xù)光滑曲面。

11、優(yōu)選地，前述星型流道單元和通道的內(nèi)徑均為0.09~0.5?mm，單個(gè)星型流道單元的外接圓半徑是3?mm，芯片板的厚度為1~5?cm，耐壓范圍為0.1~0.5?mpa。

12、優(yōu)選地，前述換熱介質(zhì)循環(huán)腔體設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口和換熱介質(zhì)出口。

13、本發(fā)明的有益之處在于：

14、（1）本發(fā)明利用星型芯片系統(tǒng)和柱塞泵以及智能控溫系統(tǒng)聯(lián)用，可以調(diào)節(jié)不同反應(yīng)的流速、溫度和停留時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了一步合成銅簇材料，可準(zhǔn)確通過(guò)改變反應(yīng)條件，增強(qiáng)傳質(zhì)傳熱實(shí)現(xiàn)多種前驅(qū)體在同一裝置下的一步化批量生產(chǎn)，產(chǎn)率高，合成時(shí)間大幅度縮短；

15、（2）本發(fā)明星型芯片的材料成本低，易于操作，耐用性強(qiáng)，具有形成工業(yè)化規(guī)模的潛力，并且流道小，內(nèi)部通道可控，更易于獲得分散均勻尺寸統(tǒng)一銅簇材料；

16、（3）本發(fā)明合成的銅簇材料，其均勻組裝能夠暴露更多的活性位點(diǎn)，使其具有更廣闊的應(yīng)用背景。

技術(shù)特征：

1.一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，具體步驟為：將含銅前驅(qū)體的液相體系和還原劑體系分別導(dǎo)入具有多個(gè)連續(xù)連接星型流道單元的微流控芯片裝置中，進(jìn)行原位反應(yīng)，生成納米銅簇材料。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，所述的含銅前驅(qū)體的液相體系為前驅(qū)體和配體的混合水溶液，所述的前驅(qū)體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%~5%，所述的還原劑體系為質(zhì)量分?jǐn)?shù)1~5%還原劑的水溶液。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，所述的前驅(qū)體為硝酸銅、硫酸銅、氯化銅、氫氧化銅、碳酸銅、堿式碳酸銅和堿式硫酸銅中的一種，所述的配體為硫代蘋(píng)果酸、半胱氨酸、囊氨酸和巰基硫醇中的一種，所述的還原劑為硼氫化鈉、硼氫化鉀、乙醇和抗壞血酸中的一種。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，所述的前驅(qū)體、配體和還原劑的質(zhì)量比為2~5：5~6：1.5~7。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，所述的納米銅簇材料的粒徑為10~100?nm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種一步合成納米銅簇材料的方法，其特征在于，所述的星型流道單元內(nèi)的流速為5~1500?μl/min，反應(yīng)溫度為-10~80?℃，反應(yīng)時(shí)間為1~5?min。

7.權(quán)利要求1所述的用于一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置，其特征在于，包括芯片板、設(shè)置于芯片板上的混合反應(yīng)模塊和設(shè)置于芯片板內(nèi)部的換熱介質(zhì)循環(huán)腔體，所述的混合反應(yīng)模塊包括多個(gè)連續(xù)連接的星型流道單元，混合反應(yīng)模塊的進(jìn)料端通過(guò)兩個(gè)通道分別連接兩個(gè)進(jìn)料系統(tǒng)泵。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置，其特征在于，所述的星型流道單元的進(jìn)口端位于其頂角處，出口端位于其尾部夾角處，相鄰兩個(gè)星型流道單元之間通過(guò)出口端和進(jìn)口端依次相連，出口端和進(jìn)口端交聚位置的夾角為50~70°；所述的星型流道單元的內(nèi)部拐角呈連續(xù)光滑曲面。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置，其特征在于，所述的星型流道單元和通道的內(nèi)徑均為0.09~0.5?mm，星型流道單元的外接圓半徑是3?mm，芯片板的厚度為1~5?cm，耐壓范圍為0.1~0.5?mpa。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的用于一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置，其特征在于，所述的換熱介質(zhì)循環(huán)腔體設(shè)有換熱介質(zhì)進(jìn)口和換熱介質(zhì)出口。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種一步合成納米銅簇材料的微流控芯片裝置及方法，方法具體步驟為：將含銅前驅(qū)體的液相體系和還原劑體系分別導(dǎo)入具有多個(gè)連續(xù)連接星型流道單元的微流控芯片裝置中，進(jìn)行原位反應(yīng)，生成納米銅簇材料。本發(fā)明利用星型芯片裝置一步合成銅簇材料，通過(guò)柱塞泵和星型芯片微管道精確處理和操縱微小流體促進(jìn)銅簇原子級(jí)的定量合成，合成方法通過(guò)利用連續(xù)流手段調(diào)控反應(yīng)條件，通過(guò)高低溫一體機(jī)為反應(yīng)提供連續(xù)性均勻熱源、連續(xù)相微尺度合成，優(yōu)化了銅簇的合成方法，從而降低了反應(yīng)條件，縮短了反應(yīng)時(shí)間，提高了材料的質(zhì)量和產(chǎn)率。

技術(shù)研發(fā)人員：楊陽(yáng),劉穩(wěn),王慶,陳珊,劉麗芳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15