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JP7729241B2 - Method for producing metal nanoparticles - Google Patents
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JP7729241B2 - Method for producing metal nanoparticles - Google Patents

Method for producing metal nanoparticles

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JP7729241B2 JP2022057071A JP2022057071A JP7729241B2 JP 7729241 B2 JP7729241 B2 JP 7729241B2 JP 2022057071 A JP2022057071 A JP 2022057071A JP 2022057071 A JP2022057071 A JP 2022057071A JP 7729241 B2 JP7729241 B2 JP 7729241B2
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Description

本発明は、金属ナノ粒子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles.

近年、バルク材料と異なる性質を有することがある金属ナノ粒子は、例えば触媒、電子部品部材など、様々な用途に使用されている。 In recent years, metal nanoparticles, which can have properties different from those of bulk materials, have been used in a variety of applications, such as catalysts and electronic component parts.

また、金属ナノ粒子を製造するための装置及び方法も様々なものが考案されており、その中でも、マイクロ波を利用する金属ナノ粒子の製造装置及び製造方法は、金属ナノ粒子を短時間で多量に合成できるものとして注目が集まっている。 A variety of devices and methods have also been devised for producing metal nanoparticles, and among these, devices and methods for producing metal nanoparticles using microwaves are attracting attention as they can synthesize large quantities of metal nanoparticles in a short period of time.

このような金属ナノ粒子の調製方法として、例えば、特許文献1は、流体を、流路を経由して、反応路に流通させ、該反応路内にて、前記流体から所定の生成物を生成せしめるための生成物製造装置において、前記反応路にマイクロ波を照射するためのマイクロ波発生器を具備することを特徴とする生成物製造装置について開示している。 As a method for preparing such metal nanoparticles, for example, Patent Document 1 discloses a product production device that circulates a fluid through a reaction channel via a flow path and produces a predetermined product from the fluid within the reaction channel, and that is characterized by having a microwave generator for irradiating the reaction channel with microwaves.

特許文献2は、反応液を収容するチャンバと、チャンバ内に設置される複数のマイクロ波照射源であって、マイクロ波照射口がドーム状であり、マイクロ波照射口が反応液により覆われることになるマイクロ波照射源と、チャンバ内に設置される反応液を撹拌するための撹拌機構とを備える、金属ナノ粒子の製造装置について開示している。 Patent Document 2 discloses a metal nanoparticle manufacturing device that includes a chamber that contains a reaction liquid, multiple microwave irradiation sources installed in the chamber, each of which has a dome-shaped microwave irradiation port that is covered by the reaction liquid, and a stirring mechanism that stirs the reaction liquid installed in the chamber.

特許文献3は、シングルモード定在波を利用して被処理対象物を処理するマイクロ波処理装置であって、前記シングルモード定在波がTMmn0(m、nは1以上の整数)若しくはTEm0p(m、pは1以上の整数)モードの定在波であり、前記シングルモード定在波を形成する空胴共振器と、前記シングルモード定在波の共振周波数と一致したマイクロ波を前記空胴共振器内に供給するマイクロ波供給手段と、前記空胴共振器の共振周波数に基づいて、前記マイクロ波供給手段により供給するマイクロ波の周波数を制御する制御部とを有し、前記被処理対象物を磁界強度が極大となる位置に沿って配する、マイクロ波処理装置について開示している。 Patent Document 3 discloses a microwave processing apparatus for processing an object to be processed using a single-mode standing wave, the single-mode standing wave being a standing wave of a TM mn0 (m and n are integers of 1 or more) or TE m0p (m and p are integers of 1 or more) mode, the microwave processing apparatus having a cavity resonator that forms the single-mode standing wave, a microwave supply means that supplies microwaves into the cavity resonator that match the resonant frequency of the single-mode standing wave, and a control unit that controls the frequency of the microwaves supplied by the microwave supply means based on the resonant frequency of the cavity resonator, and the object to be processed is placed along a position where the magnetic field strength is maximized.

特許文献4は、金属前駆物質を含有する反応液を、マイクロ波照射空間内に配置された流通管内に流通させるとともに、該マイクロ波照射空間内の該流通管に向けて流通管の外部からマイクロ波を照射し、このマイクロ波照射により前記流通管内にある反応液を加熱し、金属微粒子を合成する金属微粒子の製造方法であって、該マイクロ波の発生装置として、周波数帯域として、周波数2.4~2.5GHz周波数帯域が割り当てられているか又は製品の規格周波数帯域になっている装置を用い、該流通管の該マイクロ波照射場に配置される部分の平均内径が2.84mmより細い流通管を用いることを特徴とする金属微粒子の製造方法について開示している。 Patent Document 4 discloses a method for producing metal microparticles in which a reaction liquid containing a metal precursor is circulated through a flow tube placed in a microwave irradiation space, and microwaves are irradiated from outside the flow tube in the microwave irradiation space toward the flow tube, heating the reaction liquid in the flow tube with this microwave irradiation and synthesizing metal microparticles. The method uses a microwave generator that is assigned a frequency band of 2.4 to 2.5 GHz or that meets the product's standard frequency band, and the average inner diameter of the portion of the flow tube placed in the microwave irradiation field is narrower than 2.84 mm.

特許文献5は、固定されたベースに回転可能に支持され、マイクロ波の照射対象物が入れられる空間を内部に有する円筒状形状のキャビティと、前記キャビティを前記円筒状形状の軸周りに回転させる回転駆動部と、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生器と、を備え、前記マイクロ波発生器によって発生されたマイクロ波は、前記キャビティの円周側面から内部の空間に導入される、マイクロ波処理装置について開示している。 Patent Document 5 discloses a microwave processing device that includes a cylindrical cavity rotatably supported on a fixed base and having an internal space for placing an object to be irradiated with microwaves, a rotary drive unit that rotates the cavity around the axis of the cylindrical shape, and a microwave generator that generates microwaves, the microwaves generated by the microwave generator being introduced into the internal space from the circumferential side of the cavity.

特開2006-188666号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-188666 特開2019-077923号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2019-077923 特開2020-080298号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2020-080298 特開2011-137226号公報JP 2011-137226 A 特開2021-125431号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-125431

エレクトロニクス実装分野においても、高耐熱接合材料、例えば低温で接合することができる鉛フリー化接合材料として、金属ナノ粒子が検討されている。鉛フリーはんだは250℃以下で接合することが困難であるが、金属ナノ粒子を含む鉛フリーはんだは、金属ナノ粒子の特性、すなわち、バルク材料と比較して低い融点を有する一方で、接合に使用されて焼結するとバルク材料としての融点を有するという特性を利用して、250℃以下での接合を可能にし得る。 In the field of electronics packaging, metal nanoparticles are also being considered as high-heat-resistant bonding materials, for example, lead-free bonding materials that can be used for bonding at low temperatures. Lead-free solder is difficult to bond at temperatures below 250°C, but lead-free solder containing metal nanoparticles can make bonding at temperatures below 250°C possible by taking advantage of the properties of metal nanoparticles, namely, that they have a lower melting point than bulk materials, but when used for bonding and sintered, they retain the melting point of bulk materials.

高耐熱接合材料として、金属ナノ粒子を使用するためには、金属ナノ粒子の融点を一定にする必要がある。金属ナノ粒子の融点を一定にするためには、金属ナノ粒子について、粒径を小さくし、さらに、粒度分布を狭くすることが望ましい。 In order to use metal nanoparticles as a highly heat-resistant bonding material, it is necessary to maintain a constant melting point for the metal nanoparticles. To maintain a constant melting point for metal nanoparticles, it is desirable to reduce the particle size of the metal nanoparticles and narrow the particle size distribution.

このような様々な用途に応用し得る金属ナノ粒子の開発が進んでいるものの、反応液にマイクロ波を照射することで金属ナノ粒子を製造する方法において、金属ナノ粒子を、粒径が小さく且つ均一(ここで、粒径が均一とは、粒度分布が狭いことを意味する)のまま安価で調製することは困難である。 While progress is being made in the development of metal nanoparticles that can be used in a variety of applications, it is difficult to inexpensively prepare metal nanoparticles that are small and uniform in particle size (here, uniform particle size means a narrow particle size distribution) using methods for producing metal nanoparticles by irradiating a reaction solution with microwaves.

そこで、本発明は、反応液にマイクロ波を照射することで金属ナノ粒子を製造する方法において、粒径が小さく且つ均一である金属ナノ粒子を安価で効率よく調製することができる金属ナノ粒子の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a method for producing metal nanoparticles by irradiating a reaction solution with microwaves, which can inexpensively and efficiently prepare metal nanoparticles with small and uniform particle sizes.

従来技術では、例えば流通式の金属ナノ粒子の製造方法において、金属ナノ粒子の製造装置における反応路を螺旋状にしたり、反応路の内径を特定したり、マイクロ波のシングルモード定在波を使用したり、又はマイクロ波照射源を回転させたりすることにより、例えばバッチ式の金属ナノ粒子の製造方法において、反応液が収容されたチャンバに照射するマイクロ波の照射源を複数にしたりすることにより、金属ナノ粒子の量産化を図っている。 In conventional technologies, for example, in flow-type metal nanoparticle manufacturing methods, mass production of metal nanoparticles has been achieved by making the reaction channel in the metal nanoparticle manufacturing equipment spiral, specifying the inner diameter of the reaction channel, using single-mode standing microwave waves, or rotating the microwave irradiation source; and, for example, in batch-type metal nanoparticle manufacturing methods, by using multiple microwave irradiation sources to irradiate the chamber containing the reaction solution.

しかしながら、金属ナノ粒子の製造方法において、生産性向上のためにマイクロ波を照射する体積を大きくした場合、合成される金属ナノ粒子の粒径がばらつき、品質が低下することがある。 However, in metal nanoparticle manufacturing methods, if the volume irradiated with microwaves is increased to improve productivity, the particle size of the synthesized metal nanoparticles may vary, resulting in a decrease in quality.

また、流通式には、例えば反応流路の増大に伴う合成反応の未完了により金属ナノ粒子の歩留まりが悪くなる可能性が存在する。 Furthermore, with the flow-through method, there is a possibility that the yield of metal nanoparticles may decrease due to, for example, the synthesis reaction not being completed as the reaction flow path increases.

さらに、バッチ式には、例えば複数のマイクロ波照射源を準備する必要がある。 Furthermore, the batch method requires, for example, the preparation of multiple microwave irradiation sources.

本発明者らは、金属ナノ粒子の製造方法において、生産性向上のためにマイクロ波を照射する体積を大きくした場合に、合成される金属ナノ粒子の粒径がばらつき、品質が低下する原因を種々検討した結果、反応液にマイクロ波を照射することで金属ナノ粒子を製造する方法では、マイクロ波の波特有の疎密の特性から、反応液に対して、マイクロ波が照射されている部分(反応液がマイクロ波を吸収している部分でもあり、「マイクロ波照射部」という)とマイクロ波が照射されていない部分(反応液がマイクロ波を吸収していない部分でもあり、「マイクロ波未照射部」という)とが存在することを発見した。 The inventors of the present invention have investigated various reasons why the particle size of the synthesized metal nanoparticles varies and the quality deteriorates when the volume of microwave irradiation is increased to improve productivity in a method of manufacturing metal nanoparticles. As a result, they have discovered that in a method of manufacturing metal nanoparticles by irradiating a reaction solution with microwaves, the unique density characteristics of microwaves result in the existence of parts of the reaction solution that are irradiated with microwaves (also parts where the reaction solution absorbs microwaves, referred to as "microwave-irradiated parts") and parts that are not irradiated with microwaves (also parts where the reaction solution does not absorb microwaves, referred to as "microwave-unirradiated parts").

そこで、本発明者らは、前記課題を解決するための手段を種々検討した結果、反応液にマイクロ波を照射することで金属ナノ粒子を製造する方法において、コスト削減のためにマイクロ波照射源を1つにし、反応液へのマイクロ波の照射ステップをバッチ式で実施し、さらにマイクロ波照射時における反応液中のマイクロ波未照射部の体積率を1%未満になるよう調整して金属ナノ粒子を製造したところ、粒径が小さく且つ均一である金属ナノ粒子を安価で効率よく調製することができることを見出し、本発明を完成した。 The inventors therefore investigated various means for solving the above-mentioned problems, and as a result, they discovered that in a method for producing metal nanoparticles by irradiating a reaction solution with microwaves, they reduced costs by using a single microwave irradiation source, performed the microwave irradiation step on the reaction solution in a batchwise manner, and further adjusted the volume fraction of the reaction solution that was not irradiated with microwaves during microwave irradiation to less than 1%. This resulted in the production of metal nanoparticles that were small and uniform in particle size and could be produced inexpensively and efficiently, leading to the completion of the present invention.

すなわち、本発明の要旨は以下の通りである。
(1)反応液にマイクロ波を照射するステップを含む金属ナノ粒子の製造方法であって、
マイクロ波照射源が1つであり、
ステップがバッチ式で実施され、
マイクロ波照射時における反応液中に吸収されたマイクロ波の電力密度が反応液の体積に基づいて10W/mL未満である部分(マイクロ波未照射部)の体積率が1%未満である
前記方法。
(2)反応液が物理的に撹拌されない、(1)に記載の方法。
(3)金属ナノ粒子が、銀ナノ粒子である、(1)又は(2)に記載の方法。
(4)反応液を収容する容器が、螺旋状である、(1)~(3)のいずれか1つに記載の方法。
That is, the gist of the present invention is as follows.
(1) A method for producing metal nanoparticles, comprising a step of irradiating a reaction solution with microwaves,
There is one microwave radiation source,
The steps are carried out in batch mode,
The method, wherein the volume fraction of the portion (non-microwave irradiated portion) where the microwave power density absorbed in the reaction solution during microwave irradiation is less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution is less than 1%.
(2) The method according to (1), wherein the reaction mixture is not physically stirred.
(3) The method according to (1) or (2), wherein the metal nanoparticles are silver nanoparticles.
(4) The method according to any one of (1) to (3), wherein the vessel containing the reaction solution is spiral-shaped.

本発明により、反応液にマイクロ波を照射することで金属ナノ粒子を製造する方法において、粒径が小さく且つ均一である金属ナノ粒子を安価で効率よく調製することができる金属ナノ粒子の製造方法が提供される。 The present invention provides a method for producing metal nanoparticles by irradiating a reaction solution with microwaves, which allows for the inexpensive and efficient preparation of metal nanoparticles with small and uniform particle sizes.

本発明を実施するための装置の一例を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating an example of an apparatus for carrying out the present invention. 実施例1において得られた銀ナノ粒子の製造時における反応液のマイクロ波照射分布(マイクロ波吸収分布)を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the microwave irradiation distribution (microwave absorption distribution) of the reaction solution during the production of silver nanoparticles obtained in Example 1. 比較例1において使用した銀ナノ粒子の製造装置を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a silver nanoparticle production apparatus used in Comparative Example 1. 比較例1において得られた銀ナノ粒子の製造時における反応液のマイクロ波照射分布を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the microwave irradiation distribution of the reaction solution during the production of silver nanoparticles obtained in Comparative Example 1. 実施例1及び比較例1において得られた銀ナノ粒子のTEM画像である。1 shows TEM images of silver nanoparticles obtained in Example 1 and Comparative Example 1. 構造全体にマイクロ波を1W照射したときの各メッシュのマイクロ波の吸収電力密度とその電力密度が構造の中に存在する体積割合を示すグラフである。10 is a graph showing the microwave absorption power density of each mesh when 1 W of microwaves is irradiated onto the entire structure, and the volume fraction of the power density present within the structure. 機械学習の結果に基づく重要度の高いパラメータについて反応液の総体積を増大させる手段を示す図である。FIG. 10 shows a means for increasing the total volume of the reaction solution for parameters with high importance based on the results of machine learning. マイクロ波未照射部の体積に影響を与えるパラメータの最適値を特定するための応答曲面を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a response surface for identifying optimal values of parameters that affect the volume of a portion not irradiated with microwaves.

以下、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
本明細書では、適宜図面を参照して本発明の特徴を説明する。図面では、明確化のために各部の寸法及び形状を誇張しており、実際の寸法及び形状を正確に描写してはいない。それ故、本発明の技術的範囲は、これら図面に表された各部の寸法及び形状に限定されるものではない。なお、本発明の金属ナノ粒子の製造方法は、下記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良などを施した種々の形態にて実施することができる。
Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail.
In this specification, the features of the present invention will be described with reference to the drawings as appropriate. In the drawings, the dimensions and shapes of each part are exaggerated for clarity, and the actual dimensions and shapes are not accurately depicted. Therefore, the technical scope of the present invention is not limited to the dimensions and shapes of each part shown in these drawings. The method for producing metal nanoparticles of the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented in various forms with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art, without departing from the spirit of the present invention.

本発明は、反応液にマイクロ波を照射するステップを含む金属ナノ粒子の製造方法であって、マイクロ波照射源が1つであり、ステップがバッチ式で実施され、マイクロ波照射時における反応液中に吸収されたマイクロ波の電力密度が反応液の体積に基づいて10W/mL未満である部分(マイクロ波未照射部)の体積率が1%未満である前記方法に関する。 The present invention relates to a method for producing metal nanoparticles, which includes a step of irradiating a reaction solution with microwaves, wherein the method uses one microwave irradiation source, the step is carried out batchwise, and the volume fraction of the portion of the reaction solution where the microwave power density absorbed in the reaction solution during microwave irradiation is less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution (non-microwave irradiated portion) is less than 1%.

ここで、本発明において使用される反応液としては、従来のマイクロ波を照射することにより金属ナノ粒子を製造する方法において使用することができる反応液の構成を使用することができ、限定されない。例えば、反応液に含まれる材料の例を以下に挙げる。 The reaction solution used in the present invention can have the same composition as a reaction solution that can be used in conventional methods for producing metal nanoparticles by irradiating microwaves, and is not limited to this. For example, examples of materials that can be contained in the reaction solution are listed below.

まず、反応液は、金属ナノ粒子の原料を含む。金属ナノ粒子としては、貴金属ナノ粒子、卑金属ナノ粒子及び合金ナノ粒子、例えば金ナノ粒子、銀ナノ粒子、白金ナノ粒子、銅ナノ粒子、ニッケルナノ粒子、鉄ナノ粒子、コバルトナノ粒子、これらの金属の合金ナノ粒子が挙げられる。金属ナノ粒子としては、銀ナノ粒子が好ましい。これらの金属ナノ粒子の原料としては、溶媒中に溶解し、金属イオンを生成することができれば限定されないが、例えば金属の、塩酸塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩などの無機塩、カルボン酸塩、スルホン酸塩などの有機塩、錯塩を含む錯体などを挙げることができる。金属ナノ粒子の原料は、例えば、金属や金属塩を含む材料を硝酸などの酸又はアンモニア水などの塩基により溶解して調製してもよい。金属ナノ粒子の原料としては、安価である硝酸塩、例えば硝酸銀を使用することが好ましい。 First, the reaction solution contains raw materials for metal nanoparticles. Examples of metal nanoparticles include noble metal nanoparticles, base metal nanoparticles, and alloy nanoparticles, such as gold nanoparticles, silver nanoparticles, platinum nanoparticles, copper nanoparticles, nickel nanoparticles, iron nanoparticles, and cobalt nanoparticles, as well as alloy nanoparticles of these metals. Silver nanoparticles are preferred as the raw materials for these metal nanoparticles. There are no particular restrictions on the raw materials for these metal nanoparticles, as long as they can dissolve in a solvent and generate metal ions. Examples include inorganic salts such as hydrochlorides, sulfates, nitrates, and phosphates of metals, organic salts such as carboxylates and sulfonates, and complexes containing complex salts. The raw materials for metal nanoparticles may be prepared, for example, by dissolving a material containing a metal or metal salt in an acid such as nitric acid or a base such as aqueous ammonia. It is preferable to use inexpensive nitrates, such as silver nitrate, as the raw material for metal nanoparticles.

反応液中の金属イオンの濃度は、限定されないが、通常0.1mmol/L(mM)~300mM、好ましくは0.1mM~100mMである。 The concentration of metal ions in the reaction solution is not limited, but is typically 0.1 mmol/L (mM) to 300 mM, preferably 0.1 mM to 100 mM.

反応液中の金属イオンの濃度を前記範囲にすることによって、得られる金属ナノ粒子のばらつきは小さくなり、言い換えれば、得られる金属ナノ粒子の粒度分布は狭くなる。 By keeping the concentration of metal ions in the reaction solution within this range, the variation in the resulting metal nanoparticles will be reduced; in other words, the particle size distribution of the resulting metal nanoparticles will be narrow.

さらに、反応液は、溶媒を含む。反応液に用いられる溶媒は、金属ナノ粒子の原料、保護剤及び還元剤などの材料を溶解し、さらにマイクロ波を吸収することができる極性溶媒やイオン液体であれば限定されない。反応液に用いられる溶媒としては、例えば沸点が300℃以下である低沸点溶媒などが挙げられる。低沸点溶媒としては、限定されないが、例えば、水、メタノール、エタノールなどのアルコール、エチレングリコールなどの多価アルコール系溶媒、アセトンなどのケトン系溶媒、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N-ジメチルホルムアミド(DMF)、その他有機溶媒、又はこれらの2種以上の混合物などの低沸点極性溶媒を挙げることができる。反応液に用いられる溶媒としては、水が好ましい。 The reaction solution further contains a solvent. The solvent used in the reaction solution is not limited, as long as it is a polar solvent or ionic liquid that can dissolve materials such as the raw materials for the metal nanoparticles, the protective agent, and the reducing agent, and that can also absorb microwaves. Examples of solvents used in the reaction solution include low-boiling-point solvents with a boiling point of 300°C or less. Examples of low-boiling-point solvents include, but are not limited to, water, alcohols such as methanol and ethanol, polyhydric alcohol solvents such as ethylene glycol, ketone solvents such as acetone, dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), other organic solvents, and mixtures of two or more of these low-boiling-point polar solvents. Water is preferred as the solvent used in the reaction solution.

反応液に用いられる溶媒として低沸点溶媒を使用することによって、溶媒の取扱い性を向上させ、環境への負荷を小さくすることができる。 Using a low-boiling point solvent as the solvent used in the reaction solution improves the ease of handling of the solvent and reduces the burden on the environment.

さらに、反応液は、保護剤を含む。反応液に用いられる保護剤は、反応液中に生成した金属ナノ粒子表面の一部又は全面に結合する化合物であって、金属ナノ粒子同士の凝集を抑制する化合物である。保護剤としては、限定されないが、例えば、ポリビニルピロリドン(PVP)、チオール系ポリマー、ポリビニルアルコール(PVA)、タンニン酸などを挙げることができる。保護剤としては、タンニン酸が好ましい。 The reaction solution further contains a protective agent. The protective agent used in the reaction solution is a compound that bonds to part or all of the surface of the metal nanoparticles produced in the reaction solution and inhibits aggregation of the metal nanoparticles. Examples of protective agents include, but are not limited to, polyvinylpyrrolidone (PVP), thiol-based polymers, polyvinyl alcohol (PVA), and tannic acid. Tannic acid is preferred as the protective agent.

保護剤の量は、限定されず、所望する金属ナノ粒子の粒径に応じて、変更することができる。保護剤の量は、金属の物質量の、通常0.1倍~20倍、好ましくは0.2倍~10倍である。 The amount of protective agent is not limited and can be changed depending on the desired particle size of the metal nanoparticles. The amount of protective agent is typically 0.1 to 20 times, and preferably 0.2 to 10 times, the amount of metal substance.

保護剤を使用することによって、生成した金属ナノ粒子同士の凝集を抑制することができる。 By using a protective agent, it is possible to prevent the generated metal nanoparticles from agglomerating together.

さらに、反応液は、還元剤を含む。還元剤は、金属イオンを、酸化還元反応により、酸化数が0である金属まで還元することができる材料である。 The reaction solution further contains a reducing agent. A reducing agent is a material that can reduce metal ions to a metal with an oxidation number of 0 through an oxidation-reduction reaction.

還元剤としては、限定されないが、例えば、クエン酸又はその塩、例えばクエン酸三ナトリウム、クエン酸二ナトリウム、クエン酸一ナトリウム、シュウ酸又はその塩、例えばシュウ酸ナトリウム、アスコルビン酸又はその塩、例えばアスコルビン酸ナトリウム、これらの2種以上の混合物などが挙げられる。金属イオン、特に銀イオンの還元剤としては、クエン酸及び/又はその塩が好ましい。 Reducing agents include, but are not limited to, citric acid or its salts, such as trisodium citrate, disodium citrate, and monosodium citrate; oxalic acid or its salts, such as sodium oxalate; ascorbic acid or its salts, such as sodium ascorbate; and mixtures of two or more of these. Citric acid and/or its salts are preferred as reducing agents for metal ions, particularly silver ions.

還元剤の量は、金属イオンを酸化還元反応により酸化数が0である金属まで還元することができる限り、限定されないが、金属イオンに対して、通常1.0倍当量~20倍当量、好ましくは4.0倍当量~15倍当量である。なお、金属イオンの還元剤は、カルボキシ基、ヒドロキシ基、エーテル基などの金属と相互作用可能な官能基を1種以上含む場合、保護剤としても作用し得る。還元剤が保護剤としても作用する場合、反応液中に前記で説明した保護剤を含まなくてもよく、また、金属イオンの還元剤の量は、金属イオンを酸化還元反応により、酸化数が0である金属まで還元するために必要な量を超える量であってもよい。 The amount of reducing agent is not limited as long as it can reduce metal ions to a metal with an oxidation number of 0 through a redox reaction, but is typically 1.0 to 20 equivalents, and preferably 4.0 to 15 equivalents, relative to the metal ions. Note that if the reducing agent for metal ions contains one or more functional groups capable of interacting with metals, such as a carboxy group, a hydroxy group, or an ether group, it can also function as a protecting agent. When the reducing agent also functions as a protecting agent, the reaction solution does not need to contain the protecting agent described above. Furthermore, the amount of reducing agent for metal ions may be greater than the amount necessary to reduce metal ions to a metal with an oxidation number of 0 through a redox reaction.

反応液は、前記で説明した金属ナノ粒子の原料、溶媒、保護剤及び還元剤から構成されてもよいが、これらの材料以外にも、従来のマイクロ波を照射することにより金属ナノ粒子を製造する方法において使用することができる反応液において通常使用され得る添加剤を含むこともできる。 The reaction solution may be composed of the raw materials for metal nanoparticles, solvent, protective agent, and reducing agent described above, but in addition to these materials, it may also contain additives that are typically used in reaction solutions that can be used in conventional methods for producing metal nanoparticles by irradiating them with microwaves.

例えば、反応液は、添加剤としてキレート剤、例えばエチレンジアミン四酢酸(EDTA)及び/又はその塩をさらに含んでいてもよい。 For example, the reaction solution may further contain a chelating agent as an additive, such as ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) and/or a salt thereof.

反応液のpHは、限定されないが、通常pH3~pH12である。 The pH of the reaction solution is not limited, but is typically between pH 3 and pH 12.

本発明では、反応液の調製における、各材料の添加順序、添加温度、混合方法、混合時間などは限定されず、均一な反応液が調製されるように混合される。本発明では、均一な反応液が調製されてから反応を開始させる。 In the present invention, the order of addition of each material, addition temperature, mixing method, mixing time, etc. in preparing the reaction solution are not limited, and the materials are mixed so as to prepare a homogeneous reaction solution. In the present invention, the reaction is initiated after a homogeneous reaction solution has been prepared.

本発明では、前記で説明した反応液に1つのマイクロ波照射源を備えるマイクロ波合成装置を用いてマイクロ波を照射し、反応を進行させる。 In the present invention, the reaction solution described above is irradiated with microwaves using a microwave synthesis apparatus equipped with a single microwave irradiation source, causing the reaction to proceed.

マイクロ波照射源を1つにすることで、コストを削減することができる。 By using a single microwave irradiation source, costs can be reduced.

また、反応液にマイクロ波を照射するステップは、バッチ式で、すなわち反応液が輸送されていない状態で実施される。言い換えれば、マイクロ波は、輸送されていない反応液に照射される。 Furthermore, the step of irradiating the reaction solution with microwaves is carried out batchwise, i.e., while the reaction solution is not being transported. In other words, microwaves are irradiated onto the reaction solution that is not being transported.

反応液にマイクロ波を照射するステップをバッチ式で実施することで、合成反応自体を完了させることができ、歩留まり、生産性がよくなり、流通式で起こり得る金属ナノ粒子の原料を高濃度にした場合の金属ナノ粒子の閉塞の問題も生じにくい。 By performing the step of irradiating the reaction solution with microwaves in a batch process, the synthesis reaction itself can be completed, improving yield and productivity, and reducing the problem of metal nanoparticle blockage that can occur in a continuous process when the metal nanoparticle raw material is used at a high concentration.

反応液にマイクロ波を照射すると、反応液に含まれる溶媒は、マイクロ波を吸収し、熱エネルギーに変換することで発熱する。したがって、マイクロ波が照射された反応液では、照射された部分において、均一且つ迅速な温度上昇が起こり、当該温度上昇にしたがい、均一且つ迅速な反応が生じる。 When a reaction solution is irradiated with microwaves, the solvent contained in the reaction solution absorbs the microwaves and converts them into thermal energy, generating heat. Therefore, in a reaction solution irradiated with microwaves, a uniform and rapid temperature rise occurs in the irradiated area, and as this temperature rises, a uniform and rapid reaction occurs.

さらに、反応液にマイクロ波を照射するステップでは、マイクロ波は、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率が1%未満になるように照射される。 Furthermore, in the step of irradiating the reaction liquid with microwaves, the microwaves are irradiated so that the volume fraction of the reaction liquid that is not irradiated with microwaves is less than 1%.

ここで、反応液中のマイクロ波未照射部とは、マイクロ波照射時において反応液中に吸収されたマイクロ波の電力密度が反応液の体積に基づいて10W/mL未満である部分を指し、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率は、
{(反応液中のマイクロ波未照射部の体積/反応液の体積)×100}
で計算できる。
Here, the microwave-unirradiated portion of the reaction solution refers to a portion where the power density of the microwaves absorbed in the reaction solution during microwave irradiation is less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution, and the volume ratio of the microwave-unirradiated portion of the reaction solution is
{(volume of the part of the reaction solution not irradiated with microwaves/volume of the reaction solution)×100}
It can be calculated as follows.

なお、反応液中のマイクロ波未照射部の体積は、以下に示す(1)~(3)によりマイクロ波照射分布(マイクロ波吸収分布)を算出することにより決定することができる。
(1)マイクロ波Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて、反応液が吸収するマイクロ波の分布を計算する。
(2)前記計算モデルをWorkbenchにてFluentと連成解析する。
(3)Fluentにて各メッシュの体積と各メッシュが吸収するマイクロ波の電力密度を値で取得する。
The volume of the portion of the reaction solution that has not been irradiated with microwaves can be determined by calculating the microwave irradiation distribution (microwave absorption distribution) according to (1) to (3) below.
(1) Using Microwave Sim (ANSYS Electronics Desktop), the distribution of microwaves absorbed by the reaction solution is calculated.
(2) The calculation model is subjected to coupled analysis with Fluent using Workbench.
(3) Using Fluent, obtain the volume of each mesh and the microwave power density absorbed by each mesh.

反応液中のマイクロ波未照射部の体積率が特定の値未満になるようにマイクロ波が照射されることで、マイクロ波照射部において形成された金属ナノ粒子の核が、未だ金属ナノ粒子の核が形成されていないことでマイクロ波未照射部に存在する金属ナノ粒子の原料により粗大化されることを防止し、反応中、反応液を物理的に撹拌(例えば、流通式における反応液の輸送(反応液の流量制御)、撹拌機や撹拌子による撹拌)しなくても、得られる金属ナノ粒子の粒径を小さく且つ均一に保つことができる。 By irradiating microwaves so that the volume fraction of the non-microwave-irradiated portions of the reaction solution is less than a specific value, the nuclei of metal nanoparticles formed in the microwave-irradiated portions are prevented from becoming coarse due to the metal nanoparticle raw materials present in the non-microwave-irradiated portions where no metal nanoparticle nuclei have yet formed. This makes it possible to maintain a small and uniform particle size for the resulting metal nanoparticles without physically stirring the reaction solution during the reaction (for example, by transporting the reaction solution in a flow system (controlling the flow rate of the reaction solution), or by stirring with a stirrer or stir bar).

マイクロ波合成装置では、反応液を収容する容器の材質は、反応液にマイクロ波を均一に照射することができれば限定されず、例えば、反応器の外部から反応器を介して反応液にマイクロ波を照射する場合、マイクロ波を透過する材質、例えばセラミックス、ガラス(石英)などを使用することができ、反応液の上部から反応液に直接マイクロ波を照射する場合、マイクロ波を反射する材質、例えばアルミニウム、ステンレスなどの金属などを使用することができる。 In a microwave synthesis apparatus, the material of the container that holds the reaction solution is not limited as long as it allows microwaves to be uniformly irradiated onto the reaction solution. For example, when microwaves are irradiated onto the reaction solution from outside the reactor through the reactor, materials that transmit microwaves, such as ceramics and glass (quartz), can be used. When microwaves are irradiated directly onto the reaction solution from above, materials that reflect microwaves, such as metals such as aluminum and stainless steel, can be used.

反応液を収容する容器の形状は、マイクロ波を透過する材質、例えば石英などの場合、螺旋状が好ましい。 When the container containing the reaction solution is made of a microwave-transparent material, such as quartz, it is preferable that it be spiral-shaped.

反応液を収容する容器を螺旋状にすることで、直管状よりも1つのマイクロ波照射源による反応液中のマイクロ波照射部の体積を確保することができ、マイクロ波照射時における反応液中のマイクロ波照射部の体積率を上げる、すなわち反応液中のマイクロ波未照射部の体積率を下げることができる。 By making the container that holds the reaction solution spiral-shaped, it is possible to ensure a larger volume of the microwave-irradiated portion of the reaction solution with a single microwave irradiation source than with a straight tube, and this increases the volume fraction of the microwave-irradiated portion of the reaction solution during microwave irradiation, i.e., reduces the volume fraction of the non-microwave-irradiated portion of the reaction solution.

マイクロ波は、マイクロ波照射源(マイクロ波発振器(マグネトロン))から発生し、マイクロ波照射源は、シングルモードシステム、マルチモードシステムのどちらでも使用することができる。マイクロ波照射源は、Simにおいて使用しているシングルモードシステムが好ましい。 Microwaves are generated from a microwave irradiation source (microwave oscillator (magnetron)), which can be either a single-mode system or a multi-mode system. The single-mode system used in SIM is preferred.

マイクロ波照射源の出力は、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率が1%未満になれば限定されないが、通常1W~6000Wである。 The output of the microwave irradiation source is not limited as long as the volume fraction of the reaction solution not irradiated by microwaves is less than 1%, but is typically between 1W and 6000W.

マイクロ波照射源の出力を前記範囲に調整することによって、既存の出力によるマイクロ波により、粒径が小さく且つ均一である金属ナノ粒子を調製することができる。 By adjusting the output of the microwave irradiation source within the above range, metal nanoparticles with small and uniform particle sizes can be prepared using microwaves at the existing output.

マイクロ波照射源から発生するマイクロ波の周波数は、適宜変更することができ、限定されないが、通常1GHz~10GHz、好ましくは2GHz~6GHzである。本発明では、マイクロ波の周波数として、工業用マイクロ波電源の周波数である2.45GHzを使用することが好ましい。 The frequency of the microwaves generated from the microwave irradiation source can be changed as appropriate and is not limited, but is typically between 1 GHz and 10 GHz, and preferably between 2 GHz and 6 GHz. In the present invention, it is preferable to use a microwave frequency of 2.45 GHz, which is the frequency of an industrial microwave power source.

マイクロ波は、照射の間、均一であることが好ましく、前記のマイクロ波の照射条件は、マイクロ波を照射している間、一定であることが好ましい。 It is preferable that the microwaves are uniform during irradiation, and that the microwave irradiation conditions are constant during microwave irradiation.

本発明において、マイクロ波の照射によって昇温される反応液の温度は反応温度であり、当該反応温度は、反応の条件(金属の種類、溶媒の種類、反応時の圧力など)により適宜変更することができ、限定されないが、通常25℃以上、好ましくは80℃以上である。反応温度の上限は、限定されないが、通常溶媒の沸点未満である。反応温度は、例えば、溶媒が水の場合、大気圧で、通常25℃以上100℃未満の範囲、好ましくは80℃~90℃である。 In the present invention, the temperature of the reaction solution raised by microwave irradiation is the reaction temperature, which can be varied appropriately depending on the reaction conditions (such as the type of metal, the type of solvent, and the pressure during the reaction). While not limited, the reaction temperature is typically 25°C or higher, and preferably 80°C or higher. The upper limit of the reaction temperature is typically below the boiling point of the solvent, but is not limited thereto. For example, when the solvent is water, the reaction temperature is typically in the range of 25°C or higher but lower than 100°C, preferably 80°C to 90°C, at atmospheric pressure.

反応温度を25℃以上にすることによって、金属イオンから金属ナノ粒子への還元反応が起こり、反応温度を溶媒の沸点未満にすることによって、反応液の沸騰により生じ得る反応場の不均一化に伴う生成する金属ナノ粒子の粒径の乱れ、すなわち粒度分布の拡がりを防止し、粒径が小さく且つ均一である金属ナノ粒子を調製することができる。 By setting the reaction temperature at 25°C or higher, a reduction reaction from metal ions to metal nanoparticles occurs, and by setting the reaction temperature below the boiling point of the solvent, it is possible to prevent the particle size of the resulting metal nanoparticles from becoming uneven due to the non-uniformity of the reaction field that can occur when the reaction solution boils, i.e., to prevent the particle size distribution from becoming wider, making it possible to prepare metal nanoparticles with small, uniform particle sizes.

反応液へのマイクロ波の照射時間は、反応液の温度が反応温度に到達するまでにかかる時間であり、反応の条件(マイクロ波の条件、金属の種類、溶媒の種類、反応時の圧力、反応液の量、反応温度など)により適宜変更され、限定されないが、通常0.1秒~300秒、好ましくは10秒~60秒である。 The microwave irradiation time for the reaction solution is the time it takes for the temperature of the reaction solution to reach the reaction temperature. It varies appropriately depending on the reaction conditions (microwave conditions, type of metal, type of solvent, pressure during the reaction, amount of reaction solution, reaction temperature, etc.), and is not limited; however, it is usually 0.1 to 300 seconds, preferably 10 to 60 seconds.

反応液に前記条件でマイクロ波を照射して反応液の温度を反応温度に到達させることによって、反応液中に金属ナノ粒子の核、さらに金属ナノ粒子が生成される。 By irradiating the reaction solution with microwaves under the above conditions and raising the temperature of the reaction solution to the reaction temperature, metal nanoparticle nuclei and then metal nanoparticles are produced in the reaction solution.

なお、反応の完了は、反応液中の金属ナノ粒子の原料又は金属ナノ粒子に由来する吸光度などを観察することにより決定することができる。例えば、金属ナノ粒子が銀ナノ粒子であり、銀ナノ粒子の原料として無機塩を使用する場合、保温時間に伴う反応液の280nm~780nmでの吸光度の変化を観察し、当該吸光度が変化しなくなった時点を反応の完了時点とする。あるいは、保温時間に伴う反応液の銀ナノ粒子に由来する280nm~780nmの吸光度の変化を観察し、当該吸光度が変化しなくなった時点を反応の完了時点とする。 The completion of the reaction can be determined by observing the absorbance of the raw material for the metal nanoparticles in the reaction solution or the absorbance derived from the metal nanoparticles. For example, if the metal nanoparticles are silver nanoparticles and an inorganic salt is used as the raw material for the silver nanoparticles, the change in the absorbance of the reaction solution at 280 nm to 780 nm over time is observed, and the reaction is completed when the absorbance no longer changes. Alternatively, the change in the absorbance of the reaction solution at 280 nm to 780 nm derived from the silver nanoparticles over time is observed, and the reaction is completed when the absorbance no longer changes.

本発明では、前記の通り、反応液を、撹拌機構、例えばプロペラ式撹拌機、振動式撹拌機、マグネチックスターラーなどにより、撹拌する必要はない。 As mentioned above, in the present invention, there is no need to stir the reaction solution using a stirring mechanism, such as a propeller stirrer, vibration stirrer, or magnetic stirrer.

反応液を撹拌しなくても、マイクロ波照射時における反応液中のマイクロ波未照射部の体積率を一定の値以下に規定しているため、マイクロ波が反応液中に均一に照射されることになり、反応液中に金属ナノ粒子を均一に生成することができ、反応液を均一に保つことができる。 Even without stirring the reaction solution, the volume ratio of the non-microwave-irradiated portion of the reaction solution is set to a certain value or less during microwave irradiation, so the microwaves are irradiated uniformly throughout the reaction solution, allowing metal nanoparticles to be generated uniformly in the reaction solution and maintaining a uniform reaction solution.

また、本発明は、バッチ式で実施されるが、撹拌機能を必要としないため、流通式の合成装置を使用して実施することもできる。本発明は、例えば、流通式の合成装置を使用する場合、反応液を、マイクロ波が照射されたときに反応管におけるマイクロ波未照射部の体積率が1%未満になる部分まで満たし、反応液が流れない状態で、すなわち反応液の輸送を停止した状態で、反応を実施し、反応完了後に、反応液を送り出す(輸送させる)ことができる。本発明をこのように実施すれば、反応中は反応液の輸送を停止する必要があるものの、反応完了後速やかに反応液を輸送することができるため、金属ナノ粒子を連続的に合成することができる。また、金属ナノ粒子の生成及び輸送がそれぞれ独立しているため、生成した金属ナノ粒子による配管の閉塞に対する対応策として、輸送速度を大きくすることができる。 In addition, although the present invention is carried out in a batch system, it can also be carried out using a flow-type synthesis apparatus because it does not require a stirring function. For example, when using a flow-type synthesis apparatus, the present invention can be carried out by filling the reaction solution to a portion of the reaction tube where the volume ratio of the non-microwave-irradiated portion of the reaction tube is less than 1% when microwaves are irradiated, and carrying out the reaction while the reaction solution is not flowing, i.e., while transport of the reaction solution is stopped, and then discharging (transporting) the reaction solution after the reaction is complete. By carrying out the present invention in this manner, although it is necessary to stop the transport of the reaction solution during the reaction, the reaction solution can be transported quickly after the reaction is complete, allowing for the continuous synthesis of metal nanoparticles. Furthermore, because the generation and transport of metal nanoparticles are independent of each other, the transport rate can be increased as a countermeasure against piping blockage caused by the generated metal nanoparticles.

本発明は、マイクロ波照射源1つ、及び当該マイクロ波照射源1つによりマイクロ波が照射されたときにマイクロ波未照射部の体積率が1%未満になる容器1つの簡単な構成で実施可能であり、したがって、金属ナノ粒子を安価な装置コストで製造可能である。 The present invention can be implemented with a simple configuration consisting of one microwave irradiation source and one container in which the volume ratio of the non-microwave-irradiated portion is less than 1% when microwaves are irradiated by the single microwave irradiation source. Therefore, metal nanoparticles can be produced with low equipment costs.

例えば、本発明を実施するための装置として、1つのマイクロ波照射源による反応液中のマイクロ波未照射部の体積率を1%未満に維持したまま、反応液の体積を最大限に確保するためには、反応液を収容する容器を螺旋状に調整し、さらに、図1に示す各パラメータについて、容器の管ピッチ1を通常(管内径+3)mm、例えば10.5mm~11.7mm、例えば11.7mmに調整し、容器の管内径2を通常7.5mm~8.7mm、例えば8.7mmに調整し、容器の曲げ半径3を通常(管内径×2)mm、例えば15.0mm~17.4mm、例えば17.4mmに調整し、容器の反応管長さ(容器を設置するチャンバの高さ)4を通常100mm以下、例えば100mmに調整し、容器を設置するチャンバの幅(チャンバ幅)5を通常39.2mm~160mm、例えば39.2mmに調整し、容器を設置するチャンバの厚み(チャンバ厚み)6を通常44.6mm~105.3mm、例えば44.6mmに調整することができる。このような反応液を収容する容器に反応液を満たした場合、反応液の体積を通常41mL超~56mLにすることができる。表1に、各パラメータの一例をまとめる。 For example, in an apparatus for implementing the present invention, in order to maximize the volume of the reaction solution while maintaining the volume ratio of the non-microwave-irradiated portion of the reaction solution from one microwave irradiation source at less than 1%, the container containing the reaction solution is adjusted to a spiral shape, and further, for each parameter shown in Figure 1, the tube pitch 1 of the container is usually adjusted to (tube inner diameter + 3) mm, for example, 10.5 mm to 11.7 mm, for example, 11.7 mm, and the tube inner diameter 2 of the container is usually adjusted to 7.5 mm to 8.7 mm, for example, 8.7 mm, and the volume is adjusted to The bending radius 3 of the vessel is typically adjusted to (tube inner diameter x 2) mm, for example, 15.0 mm to 17.4 mm, for example, 17.4 mm; the reaction tube length 4 of the vessel (height of the chamber in which the vessel is installed) is typically adjusted to 100 mm or less, for example, 100 mm; the width 5 of the chamber in which the vessel is installed (chamber width) is typically adjusted to 39.2 mm to 160 mm, for example, 39.2 mm; and the thickness 6 of the chamber in which the vessel is installed (chamber thickness) is typically adjusted to 44.6 mm to 105.3 mm, for example, 44.6 mm. When a vessel containing such a reaction liquid is filled with the reaction liquid, the volume of the reaction liquid can typically be greater than 41 mL to 56 mL. Table 1 summarizes examples of each parameter.

本発明により得られた金属ナノ粒子を含む分散液は、必要に応じて、当該技術分野において知られる方法により、分離、精製(例えば塩析や遠心分離)などを実施し、目的とする金属ナノ粒子及び/又は金属ナノ粒子を含む分散液を得ることができる。 The dispersion liquid containing metal nanoparticles obtained by the present invention can be separated and purified (e.g., salting out or centrifugation) by methods known in the art, as needed, to obtain the desired metal nanoparticles and/or dispersion liquid containing metal nanoparticles.

本発明の金属ナノ粒子の製造方法により製造された金属ナノ粒子は、粒径が小さく、粒度分布の分散が小さいことが特徴である。 Metal nanoparticles produced by the metal nanoparticle production method of the present invention are characterized by their small particle size and narrow particle size distribution.

金属ナノ粒子の平均粒径は、当該金属ナノ粒子を含む分散液のTEM画像や吸光度により測定することができる。金属ナノ粒子の平均粒径を吸光度で測定する場合、吸光度のピークの最大値が小さくなるほど、平均粒径が小さくなる。金属ナノ粒子の平均粒径は、例えば、金属ナノ粒子として銀ナノ粒子を使用する場合、銀ナノ粒子の平均粒径は、通常30nm以下、好ましくは1nm~20nmである。 The average particle size of metal nanoparticles can be measured using TEM images or absorbance of a dispersion containing the metal nanoparticles. When measuring the average particle size of metal nanoparticles using absorbance, the smaller the maximum value of the absorbance peak, the smaller the average particle size. For example, when silver nanoparticles are used as the metal nanoparticles, the average particle size of the silver nanoparticles is typically 30 nm or less, preferably 1 nm to 20 nm.

金属ナノ粒子の粒度分布は、当該金属ナノ粒子を含む分散液のTEM画像や吸光度のピークの半値幅により把握することができる。金属ナノ粒子の粒度分布を吸光度のピークの半値幅により測定する場合、当該半値幅が小さくなるほど、粒度分布が狭くなる、すなわち粒径のばらつきが小さくなる。なお、金属ナノ粒子を含む分散液の吸光度のピークの半値幅は、吸光度のピークの最大値の半分の吸光度2点における波長間の距離(幅)を示す。例えば、金属ナノ粒子として銀ナノ粒子を使用する場合、本発明の製造方法により製造された銀ナノ粒子を含む分散液の吸光度のピークの半値幅は、従来のマイクロ波による合成により製造された銀ナノ粒子を含む分散液の吸光度のピークの半値幅よりも小さくなる。すなわち、本発明の製造方法により製造された銀ナノ粒子は、粒度分布が狭い(粒径のばらつきが小さく、粒径の揃った)均一な銀ナノ粒子である。 The particle size distribution of metal nanoparticles can be determined from TEM images of a dispersion containing the metal nanoparticles or the half-width of the absorbance peak. When measuring the particle size distribution of metal nanoparticles based on the half-width of the absorbance peak, the smaller the half-width, the narrower the particle size distribution, i.e., the smaller the particle size variation. The half-width of the absorbance peak of a dispersion containing metal nanoparticles indicates the distance (width) between the wavelengths at two points of absorbance that are half the maximum value of the absorbance peak. For example, when silver nanoparticles are used as the metal nanoparticles, the half-width of the absorbance peak of a dispersion containing silver nanoparticles produced by the manufacturing method of the present invention is smaller than the half-width of the absorbance peak of a dispersion containing silver nanoparticles produced by conventional microwave synthesis. In other words, the silver nanoparticles produced by the manufacturing method of the present invention are uniform silver nanoparticles with a narrow particle size distribution (small particle size variation and uniform particle size).

本発明の金属ナノ粒子の製造方法により製造された金属ナノ粒子は、従来の触媒、電子部品部材などに加え、低温で焼結できる特性により、電子部品の高耐熱接合材として、配線材として、使用することができる。 Metal nanoparticles produced by the metal nanoparticle production method of the present invention can be used not only as conventional catalysts and electronic component materials, but also as highly heat-resistant bonding materials for electronic components and wiring materials due to their ability to be sintered at low temperatures.

以下、本発明に関するいくつかの実施例につき説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 The following describes several examples of the present invention, but it is not intended that the present invention be limited to those examples.

1.銀ナノ粒子の調製
実施例1
極性溶媒である水に、銀ナノ粒子の原料としての硝酸銀43mg、保護剤としてのタンニン酸43mg及び還元剤兼保護剤としてのクエン酸三ナトリウム1.471gを添加し、5分間撹拌して、各材料を水中に溶解して、反応液10mLを調製した。
1. Preparation of Silver Nanoparticles Example 1
43 mg of silver nitrate as a raw material for silver nanoparticles, 43 mg of tannic acid as a protective agent, and 1.471 g of trisodium citrate as a reducing agent and protective agent were added to water, a polar solvent, and stirred for 5 minutes to dissolve each material in water, thereby preparing 10 mL of a reaction solution.

得られた反応液を試験管に投入し、撹拌をせずに、反応液の総体積に基づいて、10W/mLの電力密度のマイクロ波を吸収させて、反応液の温度を90℃に到達させ、5分間反応を実施し、銀ナノ粒子を得た。 The resulting reaction solution was poured into a test tube, and without stirring, microwaves were absorbed at a power density of 10 W/mL based on the total volume of the reaction solution until the temperature of the reaction solution reached 90°C. The reaction was carried out for 5 minutes, yielding silver nanoparticles.

なお、図2に示すように、実施例1の反応時における反応液中のマイクロ波照射分布を以下の(1)~(3)により算出したところ、反応液中に吸収されたマイクロ波の電力密度が反応液の体積に基づいて10W/mL未満である部分(反応液中のマイクロ波未照射部)の体積率は、1%未満(約0.9%)であった。
・マイクロ波照射分布の算出
(1)マイクロ波Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて、反応液が吸収するマイクロ波の分布を計算した。
(2)前記計算モデルをWorkbenchにてFluentと連成解析した。
(3)Fluentにて各メッシュの体積と各メッシュが吸収するマイクロ波の電力密度を値で取得した。
As shown in FIG. 2, when the microwave irradiation distribution in the reaction solution during the reaction in Example 1 was calculated using the following (1) to (3), the volume fraction of the part where the power density of the microwaves absorbed in the reaction solution was less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution (the part of the reaction solution that was not irradiated with microwaves) was less than 1% (approximately 0.9%).
Calculation of microwave irradiation distribution (1) The distribution of microwaves absorbed by the reaction solution was calculated using Microwave Sim (ANSYS Electronics Desktop).
(2) The calculation model was subjected to coupled analysis with Fluent using Workbench.
(3) Using Fluent, the volume of each mesh and the microwave power density absorbed by each mesh were obtained.

実施例2
極性溶媒である水に、銀ナノ粒子の原料としての硝酸銀43mg、保護剤としてのタンニン酸43mg及び還元剤兼保護剤としてのクエン酸三ナトリウム1.47gを添加し、5分間撹拌して、各材料を水中に溶解して、反応液10mLを調製した。
Example 2
43 mg of silver nitrate as a raw material for silver nanoparticles, 43 mg of tannic acid as a protective agent, and 1.47 g of trisodium citrate as a reducing agent and protective agent were added to water, a polar solvent, and stirred for 5 minutes to dissolve each material in water, thereby preparing 10 mL of a reaction solution.

得られた反応液を試験管に投入し、撹拌子により撹拌しながら、反応液の総体積に基づいて、10W/mLの電力密度のマイクロ波を吸収させて、反応液の温度を90℃に到達させ、5分間反応を実施し、銀ナノ粒子を得た。 The resulting reaction solution was poured into a test tube, and while stirring with a stirrer, microwaves were absorbed at a power density of 10 W/mL based on the total volume of the reaction solution until the temperature of the reaction solution reached 90°C. The reaction was carried out for 5 minutes, yielding silver nanoparticles.

なお、実施例2の反応時における反応液中のマイクロ波照射分布を以下の(1)~(3)により算出したところ、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率は、1%未満(約0.9%)であった。
・マイクロ波照射分布の算出
(1)マイクロ波Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて、反応液が吸収するマイクロ波の分布を計算した。
(2)前記計算モデルをWorkbenchにてFluentと連成解析した。
(3)Fluentにて各メッシュの体積と各メッシュが吸収するマイクロ波の電力密度を値で取得した。
When the microwave irradiation distribution in the reaction solution during the reaction in Example 2 was calculated using the following (1) to (3), the volume fraction of the non-microwave-irradiated portion in the reaction solution was less than 1% (approximately 0.9%).
Calculation of microwave irradiation distribution (1) The distribution of microwaves absorbed by the reaction solution was calculated using Microwave Sim (ANSYS Electronics Desktop).
(2) The calculation model was subjected to coupled analysis with Fluent using Workbench.
(3) Using Fluent, the volume of each mesh and the microwave power density absorbed by each mesh were obtained.

比較例1
極性溶媒である水1Lに、銀ナノ粒子の原料としての硝酸銀0.56g、保護剤としてのPVP66.7g及び還元剤としてのクエン酸三ナトリウム1.03gを添加し、5分間撹拌して、各材料を水中に溶解して、反応液1Lを調製した。
Comparative Example 1
To 1 L of water as a polar solvent, 0.56 g of silver nitrate as a raw material for silver nanoparticles, 66.7 g of PVP as a protective agent, and 1.03 g of trisodium citrate as a reducing agent were added, and the mixture was stirred for 5 minutes to dissolve each material in water, thereby preparing 1 L of a reaction solution.

得られた反応液を図3に模式的に示す装置の反応用チャンバに投入し、撹拌子により撹拌しながら、反応液の総体積に基づいて、10W/mLの電力密度のマイクロ波を吸収させて、反応液の温度を反応温度としての90℃に到達させ、40分間反応を実施し、銀ナノ粒子を得た。 The resulting reaction solution was placed in the reaction chamber of the device shown schematically in Figure 3, and while stirring with a stirrer, microwaves were absorbed at a power density of 10 W/mL based on the total volume of the reaction solution until the temperature of the reaction solution reached the reaction temperature of 90°C. The reaction was carried out for 40 minutes, yielding silver nanoparticles.

なお、図4に示すように、比較例1の反応時における反応液中のマイクロ波照射分布を以下の(1)~(3)により算出したところ、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率は、2%超であった。
・マイクロ波照射分布の算出
(1)マイクロ波Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて、反応液が吸収するマイクロ波の分布を計算した。
(2)前記計算モデルをWorkbenchにてFluentと連成解析した。
(3)Fluentにて各メッシュの体積と各メッシュが吸収するマイクロ波の電力密度を値で取得した。
As shown in FIG. 4, when the microwave irradiation distribution in the reaction solution during the reaction in Comparative Example 1 was calculated according to the following (1) to (3), the volume fraction of the part of the reaction solution that was not irradiated with microwaves exceeded 2%.
Calculation of microwave irradiation distribution (1) The distribution of microwaves absorbed by the reaction solution was calculated using Microwave Sim (ANSYS Electronics Desktop).
(2) The calculation model was subjected to coupled analysis with Fluent using Workbench.
(3) Using Fluent, the volume of each mesh and the microwave power density absorbed by each mesh were obtained.

2.銀ナノ粒子分散液のTEM画像
実施例1及び比較例1により得られた銀ナノ粒子を透過型電子顕微鏡(TEM)により撮像した。図5に結果を示す。
2. TEM Images of Silver Nanoparticle Dispersions The silver nanoparticles obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were photographed using a transmission electron microscope (TEM). The results are shown in FIG.

図5より、実施例1により得られた銀ナノ粒子は、粒径が小さく且つ均一であるのに対し、比較例1により得られた銀ナノ粒子は、粒径が大きく且つ不均一であることがわかった。したがって、粒径が小さく且つ均一である銀ナノ粒子を製造するためには、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率は1%未満である必要があることがわかった。 Figure 5 shows that the silver nanoparticles obtained in Example 1 were small and uniform in particle size, whereas the silver nanoparticles obtained in Comparative Example 1 were large and non-uniform in particle size. Therefore, in order to produce silver nanoparticles with small and uniform particle size, it was found that the volume fraction of the non-microwave-irradiated portion of the reaction solution must be less than 1%.

なお、実施例2により得られた銀ナノ粒子の結果は示していないが、実施例2により得られた銀ナノ粒子は、実施例1により得られた銀ナノ粒子と同等であった。したがって、反応液にマイクロ波を照射する際の撹拌は、必須でないことがわかった。 Although the results for the silver nanoparticles obtained in Example 2 are not shown, the silver nanoparticles obtained in Example 2 were equivalent to the silver nanoparticles obtained in Example 1. Therefore, it was found that stirring is not essential when irradiating the reaction solution with microwaves.

3.シミュレーション実験
本発明を実施するための装置として、図1に示す装置を使用し、反応液中のマイクロ波未照射部の体積率を1%未満に維持したまま、反応液の体積を最大限に確保するためのシミュレーションを実施した。
3. Simulation Experiment Using the apparatus shown in FIG. 1 as an apparatus for carrying out the present invention, a simulation was carried out to maximize the volume of the reaction solution while maintaining the volume ratio of the non-microwave-irradiated portion of the reaction solution at less than 1%.

シミュレーション方法を以下に示す。
1.まず、Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて以下の(1)~(3)によりマイクロ波照射分布を算出し、マイクロ波未照射部の体積を定量化した。
・マイクロ波照射分布の算出
(1)マイクロ波Sim(ANSYS Electronics Desktop)にて、反応液が吸収するマイクロ波の分布を計算した。
(2)前記計算モデルをWorkbenchにてFluentと連成解析した。
(3)Fluentにて各メッシュの体積と各メッシュが吸収するマイクロ波の電力密度を値で取得した。
The simulation method is shown below.
1. First, the microwave irradiation distribution was calculated using Sim (ANSYS Electronics Desktop) according to the following (1) to (3), and the volume of the area not irradiated with microwaves was quantified.
Calculation of microwave irradiation distribution (1) The distribution of microwaves absorbed by the reaction solution was calculated using Microwave Sim (ANSYS Electronics Desktop).
(2) The calculation model was subjected to coupled analysis with Fluent using Workbench.
(3) Using Fluent, the volume of each mesh and the microwave power density absorbed by each mesh were obtained.

図6に、構造全体にマイクロ波を1W照射したときの各メッシュのマイクロ波の吸収電力密度とその電力密度が構造の中に存在する体積割合を示す。ここで、マイクロ波未照射部は、マイクロ波照射源の出力を6000Wとした場合に、マイクロ波の吸収された電力密度が反応液の体積に基づいて0~10W/mL未満になる部分とした。 Figure 6 shows the microwave power density absorbed by each mesh when the entire structure is irradiated with 1 W of microwaves, and the volume fraction of the structure where this power density exists. Here, the non-microwave-irradiated areas are those where the microwave power density absorbed is between 0 and less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution when the microwave irradiation source output is 6000 W.

なお、図6では、マイクロ波照射源の出力を6000Wとした場合、すなわち、図6のx軸を6000倍にしたときに10W/mLになる電力密度である1667W/mを境にして、マイクロ波未照射部とマイクロ波照射部とを区別した。マイクロ波照射源の出力を変更したい場合には、本シミュレーション実験において、図6のx軸に、使用するマイクロ波照射源の出力に応じて、その出力を掛けたときに10W/mLになる電力密度を算出して、その値を境にしてマイクロ波未照射部とマイクロ波照射部とを区別することができる。 In Fig. 6, when the output of the microwave irradiation source is set to 6000 W, that is, when the x-axis of Fig. 6 is multiplied by 6000, the microwave non-irradiated portion and the microwave irradiated portion are distinguished at the boundary of 1667 W/ m3 , which is the power density that becomes 10 W/mL. When it is desired to change the output of the microwave irradiation source, in this simulation experiment, the power density that becomes 10 W/mL when multiplied by the output according to the output of the microwave irradiation source used on the x-axis of Fig. 6 can be calculated, and the microwave non-irradiated portion and the microwave irradiated portion can be distinguished at that value.

2.続いて、マイクロ波未照射部の体積が変化するのに寄与するパラメータを機械学習(ランダムフォレスト)により特定した。 2. Next, machine learning (random forest) was used to identify the parameters that contribute to changes in the volume of the non-microwave-irradiated areas.

ここでは、管の長さを100mmで固定し、管内径、管ピッチ、曲げ半径、チャンバ幅、チャンバ厚みを様々に変更したモデルを作成し、マイクロ波未照射部の体積率を計算し、得られたデータを学習データとして目的変数に対する重要度(影響度)を算出した。表2に、作成したモデルの例を示す。 Here, we created a model in which the tube length was fixed at 100 mm and the tube inner diameter, tube pitch, bending radius, chamber width, and chamber thickness were variously changed, and calculated the volume fraction of the area not irradiated with microwaves. The obtained data was used as training data to calculate the importance (degree of influence) of the objective variable. Table 2 shows an example of the model we created.

表3に各パラメータ(説明変数)の重要度(影響度)を示し、図7に、機械学習の結果に基づく重要度の高いパラメータについて反応液の総体積を増大させる手段を示す。 Table 3 shows the importance (degree of influence) of each parameter (explanatory variable), and Figure 7 shows the means for increasing the total volume of the reaction solution for parameters with high importance based on the results of machine learning.

3.さらに、マイクロ波未照射部の体積が小さくなるパラメータの最適値を応答曲面により特定した。図8に、マイクロ波未照射部の体積に影響を与えるパラメータの最適値を特定するための応答曲面を示し、表4に、金属ナノ粒子の量産効率を向上するために、マイクロ波未照射部の体積率が1%未満になる条件における最大管内径を選択した場合の当該管内径並びにチャンバ幅及びチャンバ厚みを示す。 3. Furthermore, the optimal values of the parameters that reduce the volume of the microwave-unirradiated portion were identified using a response surface. Figure 8 shows the response surface for identifying the optimal values of the parameters that affect the volume of the microwave-unirradiated portion, and Table 4 shows the maximum tube inner diameter, chamber width, and chamber thickness when selected under conditions that result in a volume ratio of the microwave-unirradiated portion of less than 1% in order to improve the mass production efficiency of metal nanoparticles.

表2~4並びに図6~8より、マイクロ波未照射部の体積率を低下させるためには、影響度の大きいパラメータとしての管内径、チャンバ幅及びチャンバ厚みに対して、管内径を大きくし、チャンバ幅を小さくし、チャンバ厚みを大きくすることが好ましいことがわかった。表5に、各パラメータの最適値をまとめる。表5のパラメータで装置を作製した場合、反応液の総体積を56mLにすることができる。 Tables 2-4 and Figures 6-8 show that in order to reduce the volume fraction of the unexposed area, it is preferable to increase the tube inner diameter, decrease the chamber width, and increase the chamber thickness, with the tube inner diameter, chamber width, and chamber thickness being the most influential parameters. Table 5 summarizes the optimal values for each parameter. When an apparatus is fabricated using the parameters in Table 5, the total volume of the reaction solution can be made 56 mL.

1.管ピッチ、2.管内径、3.曲げ半径、4.反応管長さ、5.チャンバ幅、6.チャンバ厚み 1. Tube pitch, 2. Tube inner diameter, 3. Bending radius, 4. Reaction tube length, 5. Chamber width, 6. Chamber thickness

Claims (3)

反応液にマイクロ波を照射するステップを含む金属ナノ粒子の製造方法であって、
マイクロ波照射源が1つであり、
マイクロ波照射源がシングルモードシステムであり、
反応液を収容する容器が螺旋状であり、
ステップがバッチ式で実施され、
バッチ式が、反応液が輸送されていない状態を意味し、
マイクロ波照射時における反応液中に吸収されたマイクロ波の電力密度が反応液の体積に基づいて10W/mL未満である部分の体積率が1%未満である
前記方法。
A method for producing metal nanoparticles, comprising a step of irradiating a reaction solution with microwaves,
There is one microwave radiation source,
the microwave radiation source is a single-mode system;
The vessel containing the reaction solution is spiral-shaped,
The steps are carried out in batch mode,
The batch method means that the reaction solution is not being transported.
The method as described above, wherein the volume fraction of the portion of the reaction solution where the microwave power density absorbed in the reaction solution during microwave irradiation is less than 10 W/mL based on the volume of the reaction solution is less than 1%.
反応液が物理的に撹拌されない、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the reaction mixture is not physically stirred. 金属ナノ粒子が、銀ナノ粒子である、請求項1又は2に記載の方法。 The method of claim 1 or 2, wherein the metal nanoparticles are silver nanoparticles.
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