JP2010535624A - 支持体上にナノ粒子を付着するための方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、支持体上にナノ粒子を付着するための方法であって、ナノ粒子のコロイド溶液又は懸濁液を用意し、大気プラズマにおいて前記支持体の表面上に前記コロイド溶液又は懸濁液を噴霧する工程を含む。本発明の方法は、支持体とナノ粒子の両方に対する熱応力を最小化する。本発明の方法は、迅速でコストが安く適用しやすい方法であり、付着の均一性、特に支持体上のナノ粒子の分散を改善する。
【選択図】図３

Description

本発明は、任意の支持体上にナノ粒子を付着及び結合するための方法に関する。

「ナノ粒子」の用語は、粒子を形成する、小さい分子の集合体又は数十から数千個の原子の集成体を記載し、その寸法は１ナノメータのオーダ（即ち、１０００ｎｍ（１μ）より小さい、好ましくは１００ｎｍより小さい）を持つことが一般的に認識されている。それらのサイズのため、これらの粒子は、特定の物理的、電気的、化学的及び磁気的特性を持ち、それらが適用される支持体に新規な物理的、電気的、化学的、磁気的及び機械的特性を付与する。

ナノ粒子は、例えば生物的又は化学的化合物の検出、ガス又は化学的蒸気の検出、水素を貯蔵するための装置又は燃料電池の精緻化、電子的又は光学的ナノ構造、新規な化学触媒、バイオセンサー又はいわゆるスマートコーティング、例えばセルフクリーニングコーティング又は特定の生物活性、例えば抗菌活性を持つものの製造のような極めて異なる分野で使用される多くの装置の開発におけるそれらの関与のために関心が増している。

異なる性質のナノ粒子が様々な支持体上に付着されることができる多くの技術が存在する。例えばＴ．ＣｈａｕｄｈｕｒｉらのＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ（２００５）５９（１７）ｐｐ２１９１−２１９３の論文「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ＰｂＳ ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｎｏｎａｑｕｅｏｕｓ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｂａｔｈ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、及びＹ．ＫｏｂａｙａｓｈｉらのＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ（２００５），２８３（２）ｐｐ６０１−６０４の論文「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｇｏｌｄ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｓｉｌｉｃａ ｓｐｈｅｒｅｓ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ ｍｅｔａｌ ｐｌａｔｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」に記載されているような溶液化学法が存在する。

また、例えば、Ｇ．ＳｉｎｅらのＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，（２００６）３６（８）ｐｐ８４７−８６２の論文「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃｌｕｓｔｅｒｓ ａｎｄ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎｔｏ ｂｏｒｏｎ−ｄｏｐｅｄ ｄｉａｍｏｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｃａｔａｌｙｓｉｓ」、及びＭ．ＷａｊｅらのＮａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（２００５），１６（７）ｐｐ３９５−４００の論文「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｐｌａｔｉｎｕｍ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｇｒｏｗｎ ｉｎ ｓｉｔｕ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｐａｐｅｒ ｆｏｒ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ」に記載されているもののような電気化学的な方法も存在する。

これらはまた、Ｄ．ＹａｎｇらのＣｈｅｍｉｓｔｒｙ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ（２００６）１８（７）ｐｐ１８１１−１８１６の論文「Ｐｌａｔｉｎｕｍ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｈｉｇｈｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｇｒａｐｈｉｔｅ ｓｕｒｆａｃｅｓ」、及びＤ．ＢａｒｒｅｃａらのＳｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｓｐｅｃｔｒａ（２００５）１０ ｐｐ１６４−１６９の論文「Ａｕ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｏｎ ＨＯＰＧ：Ａｎ ＸＰＳ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」に特に記載されているようなプラズマを伴なう真空蒸着技術であることができる。

これらの技術は多くの欠点を有し、それらは例えば使用される方法の再現性、ナノ粒子の付着の分布、均一性及び規則性の問題に関連する問題であることができる。これらの技術はまた、適用するのが複雑である。一般に、それらは特に、真空、さらには部分的な真空を発生する必要性のために費用がかかり、それらは工業的な規模で適用することが難しい。さらに、ナノ粒子の付着は通常、支持体を活性化するための工程を含み、それは前述した技術では、予備処理を必要とし、それは複雑であることが極めて多く、数時間又は数日かかりうる。

さらに、全てのこれらの技術は、特にプラズマを使用する真空技術に関する多量のエネルギー消費の問題、及び汚染する化学薬剤及び溶剤の使用のために、溶液化学並びに電気化学の環境上の問題を投げかける。

特に、文献ＷО ２００７／１２２２５６は、中性種、イオン化種及び電子が同じ温度を持つプラズマの熱的プラズマ噴射においてコロイド溶液を放射することによるナノ多孔質層の付着を記載する。この文献では、コロイド溶液の粒子が支持体に接着できるために少なくとも部分的に溶融されることが特定されている。特に、記載されたプラズマ噴射は５０００°Ｋ〜１５０００°Ｋのガス温度を持つ。それゆえ、無視できない熱的効果が支持体とゾルの粒子の両方について認められるだろう。

本発明は、従来技術の欠点を持たない、支持体上にナノ粒子を付着するための方法を提案する。

本発明は、迅速で高価でなく、適用しやすい方法を提案する。

本発明はまた、支持体とナノ粒子の両方に対する熱応力の最小化を提案する。

本発明はまた、付着の均一性、特に支持体上のナノ粒子の分散を改善する付着方法を提案する。

本発明は、支持体上にナノ粒子を付着するためにナノ粒子のコロイド溶液（又は懸濁液）を使用し、かつ支持体上にナノ粒子を付着するために大気プラズマを使用する方法を開示する。

本発明は、以下の工程を含む、支持体上にナノ粒子を付着するための方法に関する：
− ナノ粒子のコロイド溶液（又は懸濁液）を用意する；そして
− 大気プラズマにおいて前記支持体の表面上に前記ナノ粒子のコロイド溶液（又は懸濁液）を噴霧する。

「ナノ粒子」は、粒子を形成する、小分子の集合体又は数百から数千個の原子の集成体を意味し、その寸法は１ナノメータのオーダを持ち、一般的には１００ｎｍより小さい。

「コロイド溶液」は、溶媒が液体であり、溶質が極めて微細な粒子として均一に分布された固体である、粒子の均一な懸濁液を意味する。コロイド溶液は様々な形態、即ち液体、ゲル又はスラリーの形態をとりうる。コロイド溶液は懸濁液間の中間体であり、それは液体に分散された微細粒子と、溶質が溶媒中で分子分割の状態にある真溶液とを含む不均一媒体である。また、液体形態では、コロイド溶液は「ゾル」と呼ばれることがある。

本発明の好ましい実施形態では、大気プラズマは大気非熱的プラズマである。

「非熱的プラズマ」又は「低温プラズマ」は、熱力学的平衡を失っている電子、（分子又は原子）イオン、原子又は分子、及びラジカルを含む、部分的に又は完全にイオン化されたガスを意味し、その電子温度（数千又は数万ケルビンの温度）はイオン及び中性粒子の温度（室温から数百ケルビンに近い温度）より有意に高い。

「大気プラズマ」又は「大気非熱的プラズマ」又は「大気低温プラズマ」は、熱力学的平衡を失っている電子、（分子又は原子）イオン、原子又は分子、及びラジカルを含む、部分的に又は完全にイオン化されたガスを意味し、その電子温度はイオン及び中性粒子の温度（「低温プラズマ」に対して記載されたものと同様である）より有意に高く、それに対する圧力は約１ｍｂａｒ〜約１２００ｍｂａｒ、好ましくは約８００ｍｂａｒ〜約１２００ｍｂａｒである。

本発明の特別な実施形態によれば、方法は以下の一つ以上の特徴を含む：
− プラズマはプラズマ発生ガスを含み、前記プラズマ中の前記プラズマ発生ガスの巨視的温度は約−２０℃〜約６００℃、好ましくは約−１０℃〜約４００℃、より好ましくは室温から約４００℃の範囲で変化しうる。
− 方法は、前記支持体の前記表面を大気プラズマに供することによって支持体の表面を活性化する工程をさらに含む。
− 支持体の表面の活性化及びコロイド溶液の噴霧は同時に行われる。
− 支持体の表面の活性化は前記支持体の前記表面の清浄化のための工程後に行われる。
− ナノ粒子のコロイド溶液の噴霧は大気プラズマの放電領域又は後放電領域において達成される。
− プラズマは大気プラズマトーチによって生成される。
− ナノ粒子のコロイド溶液の噴霧は支持体の表面に実質的に平行な方向で達成される。
− ナノ粒子は金属、金属酸化物、金属合金又はそれらの混合物のナノ粒子である。
− ナノ粒子は少なくとも一種の遷移金属、その対応する酸化物、遷移金属の合金又はそれらの混合物のナノ粒子である。
− ナノ粒子は、マグネシウム（Ｍｇ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ランタン（Ｌａ）、バナジウム（Ｖ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）、モリブテン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、マンガン（Ｍｎ）、レニウム（Ｒｅ）、鉄（Ｆｅ）、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、コバルト（Ｃｏ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、カドミウム（Ｃｄ）、アルミニウム（Ａｌ）、インジウム（Ｉｒ）、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、それらの対応する酸化物、又はこれらの金属の合金からなる群から選択される。
− ナノ粒子は、二酸化チタン（チタニア（ＴｉО_２））、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化第一鉄（ＦｅＯ）、酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）、酸化鉄（Ｆｅ_３Ｏ_４）、二酸化イリジウム（ＩｒＯ_２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）からなる群から選択される。
− ナノ粒子は、金／プラチナ（ＡｕＰｔ）、プラチナ／ルテニウム（ＰｔＲｕ）、カドミウム／硫黄（ＣｄＳ）、又は鉛／硫黄（ＰｂＳ）の合金からなる群から選択される。
− 支持体は固体支持体、ゲル又はナノ構造材料である。
− 支持体は、炭素質支持体、カーボンナノチューブ、金属、金属合金、金属酸化物、ゼオライト、半導体、ポリマー、ガラス及び／又はセラミックからなる群から選択される。
− 大気プラズマは、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素、酸素、二酸化炭素、空気又はそれらの混合物からなる群から選択されるプラズマ発生ガスから生成される。

本発明の好ましい実施形態では、コロイド溶液は界面活性剤を含む。

「界面活性剤（「ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ」、「ｔｅｎｓｉｄｅ」又は「ｓｕｒｆａｃｅ ａｇｅｎｔ」）」は、二つの表面間の表面張力を変更する化合物を意味する。界面活性剤の化合物は両親媒性分子である。即ち、それらは異なる極性の部分を有し、一方は親油性で無極性であり、他方は親水性で極性である。このタイプの分子はコロイドの安定化を可能にする。陽イオン性、陰イオン性、両性又は非イオン性界面活性剤が存在する。かかる界面活性剤の一例はクエン酸ナトリウムである。

本発明はさらに、大気プラズマによって支持体上にナノ粒子を付着するためのナノ粒子のコロイド溶液の使用を開示する。

特別な実施形態によれば、ナノ粒子のコロイド溶液の使用は以下の特徴の一つ以上を含む：
− コロイド溶液が大気プラズマの放電領域又は後放電領域において噴霧される；
− 大気プラズマが大気プラズマトーチによって生成される。

本発明はまた、支持体上にナノ粒子を付着するための大気プラズマの使用を記載し、前記ナノ粒子はナノ粒子のコロイド溶液の形であり、前記コロイド溶液は前記大気プラズマにおいて前記支持体の表面に噴霧される。

図１は、コロイド溶液の金粒子の粒度分布を示す。

図２は、金粒子のコロイド溶液の透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって得られた画像を示す。

図３は、大気プラズマトーチを概略的に示す。

図４は、本発明の方法によるプラズマによる金ナノ粒子の付着後のＨＯＰＧグラファイトの表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを示す。（ａ）は全体のスペクトル、（ｂ）はＡｕ４ｆレベルのデコンボリュ−ションされたスペクトル、（ｃ）はＯ １ｓレベルのデコンボリュ−ションされたスペクトル、（ｄ）はＣ １ｓレベルのデコンボリュ−ションされたスペクトルである。

図５は、本発明の方法による金ナノ粒子をａ）付着させる前及びｂ）付着させた後のＨＯＰＧグラファイトの試料の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）画像を示す。

図６は、本発明の方法による金ナノ粒子のａ）付着させる前、ｂ）及びｃ）付着させた後のＨＰＯＧグラファイトの二次電子の高分解能電子顕微鏡（電界放出銃走査型電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）の画像を示す。（ａ）は倍率２０００倍、（ｂ）は倍率２５０００倍、（ｃ）は倍率８００００倍である。エネルギー分散分光分析（ＥＤＳ）はナノ粒子上に収集される。

図７は、図４（ｂ）に示されたＡｕ４ｆレベルの実験ＸＰＳスペクトルと、Ｖｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒタイプの生長モデルを使用することによってモデル化されたスペクトルとの比較を示す。

図８は、プラズマを使用せずに金ナノ粒子を付着させた後のＨＯＰＧグラファイトの表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを示す（比較例）。

図９は、プラズマを使用せずに金ナノ粒子を付着させた後のＨＯＰＧグラファイト試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡によって得られた画像を示す。

図１０は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させた後の鋼試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×１０００００）を示す。

図１１は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させた後のガラス試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×３０００）を示す。

図１２は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させた後のＰＶＣポリマー試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×５００００）を示す。

図１３は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させた後のＨＤＰＥポリマー試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×１００００）を示す。

図１４は、プラズマの不存在下で金ナノ粒子を付着させた後の鋼試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×１００００）を示す（比較例）。

図１５は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させる前（ａ）及び付着させた後（ｂ）のカーボンナノチューブの試料の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって得られた画像を示す。

図１６は、本発明の方法によって金ナノ粒子を付着させた後のカーボンナノチューブの表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを示す。

図１７は、本発明の方法によってプラチナナノ粒子を付着させた後のカーボンナノチューブの試料の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって得られた画像を示す。

図１８は、本発明の方法によってプラチナナノ粒子を付着させた後のカーボンナノチューブの表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを示す。

図１９は、本発明の方法によってロジウムナノ粒子を付着させた後のＨＯＰＧグラファイト試料の二次電子の高分解能電子顕微鏡（ＦＥＧ−ＳＥＭ）によって得られた画像（倍率×１２００００）を示す。

図２０は、本発明の方法によってロジウムナノ粒子を付着させた後のＨＯＰＧグラファイト表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）スペクトルを示す。

図２１は、本発明の方法によってプラチナナノ粒子を付着させた後の鋼試料の二次電子の電子顕微鏡画像（ＦＥＧ−ＳＥＭ）（倍率×１０００００）を示す。

図２２は、本発明の方法によってロジウムナノ粒子を付着させた後のＰＶＣ試料の二次電子の電子顕微鏡画像（ＦＥＧ−ＳＥＭ）（倍率×１０００００）を示す。

図２３は、本発明の方法によってロジウムナノ粒子を付着させた後のＨＤＰＥ試料の二次電子の電子顕微鏡画像（ＦＥＧ−ＳＥＭ）（倍率×１０００００）を示す。

本発明によるナノ粒子を付着するための方法は、大気プラズマによっていかなる支持体上にも付着されるナノ粒子のコロイド溶液又は懸濁液を必要とし、前記大気プラズマは大気プラズマを利用するいかなる適切な装置によっても発生されることができる。

この方法は多くの利点を有する。例えば、それはいわゆる「クリーンな」付着物を作ることを可能にする。即ち、いわゆる「汚染」溶剤を全く使用しない。有利には、本発明によるナノ粒子の付着は低いエネルギー消費を要求するにすぎない。驚くべきことに、ナノ粒子の付着は迅速である。なぜならば支持体の活性化及びナノ粒子の噴霧、またおそらく支持体の予備的清浄化が大気プラズマにおいて又は大気プラズマの流れにおいて単一工程で又は単一の連続方法で達成されるからである。

驚くべきことに、本発明による方法は、ナノ粒子が支持体に対して強く接着することを可能にする。この技術を用いると、界面の特性を制御すること、そして支持体上のナノ粒子の付着を調整することが可能である。さらに、この方法は高価な設備を必要とせず、それは容易に工業的に適用される。

ナノ粒子のコロイド溶液はいかなる技術及び／又はいかなる適当な手段によって作られてもよい。

本発明による方法では、ナノ粒子のコロイド溶液が付着される支持体は、ナノ粒子で被覆されてもよいいかなる適当な材料、その性質及び／又はその形態にかかわらずいかなる材料であってもよい。好ましくは、これは固体支持体、ゲル又はナノ構造材料である。

本発明による方法では、プラズマはいかなる適当な大気プラズマであってもよい。これは約１ｍｂａｒ〜約１２００ｍｂａｒ、好ましくは８００〜１２００ｍｂａｒの圧力で発生されるプラズマである。好ましくは、これは、例えば室温から約４００℃までの範囲でガスの温度が変化しうる巨視的温度を持つ大気プラズマである。好ましくは、プラズマは大気プラズマトーチによって発生される。

大気プラズマは真空を要求しないので、それは安価であり、維持が容易である。大気プラズマを用いると、支持体の表面を、それを官能基化することによって、例えば酸素含有、窒素含有、硫黄含有及び／又は水素含有基を生成することによって、又は表面欠陥、例えば空所、ステップ、及び／又はピットを生成することによって、清浄化及び活性化することができる。これらの表面基は、例えば短い寿命を有する極めて反応性のラジカルを含んでもよい。

支持体の表面のこれらの反応性基は次いで、ナノ粒子の表面と、又はそれらの表面に存在する界面活性剤と反応してもよい。ナノ粒子自体はプラズマによって活性化されてもよく、それは水和水からラジカルを形成することによって直接、又はナノ粒子の表面に付着した界面活性剤との反応によってなされる。

好ましくは、本発明による方法では、支持体の活性化及びコロイド溶液の噴霧は同時に、即ちプラズマ中で、又は大気プラズマを使用する装置によって生成されるプラズマの流れ中で達成される。従って、コロイド溶液の噴霧は同時に、又は大気プラズマによる支持体の活性化の直後に行われる。

コロイド溶液の噴霧は大気プラズマの放電領域又は後放電領域のいずれかで達成されてもよい。好ましくは、コロイド溶液の噴霧はプラズマの後放電領域において達成される。なぜならば特定の場合においてこれは追加の利点を有しうるからである。これにより、プラズマを生成する装置を汚染しないようにすることができる。これにより、ポリマー支持体の処理を容易にすること、被覆される支持体の劣化を避けること、また例えばナノ粒子の溶融、酸化、劣化及び／又は凝集を起こさないようにすることができる。

コロイド溶液の噴霧は、いかなる適当な噴霧技術で行ってもよく、支持体の表面に対していかなる方向（配向）で達成されてもよい。好ましくは、噴霧は支持体に対して実質的に平行な方向で達成されるが、それは処理される支持体の表面に対して例えば約４５°の角度で又は例えば約７５°の角度で達成されてもよい。

実施例１：
金ナノ粒子は高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）上に付着された。その支持体は多層カーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）と同様の化学特性を持つ。

高配向熱分解グラファイト（ＨＯＰＧ）は商業的に入手可能である（ＭｉｋｒｏＭａｓｃｈ−Ａｘｅｓｓｔｅｃｈ、フランス）。ＺＹＢ品質を用いると、このグラファイトは、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１ｍｍのサイズを持ち、０．８°±０．２°の「モザイク広がり角」と称される角度及び１ｍｍより大きい「横方向粒子」サイズを持つ。グラファイトの複数の表面層は、グラファイト試料が超音波下で５分間エタノール溶液に浸漬される前に接着テープで前もってはがされる。

コロイド懸濁液は例えば、以下の反応に従って、Ｔｕｒｋｅｖｉｃｈら、Ｊ．Ｆａｒａｄａｙ Ｄｉｓｃｕｓｓ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．（１９５１），１１ ｐａｇｅ ５５の論文に記載されているようにクエン酸塩の熱還元のための方法に従って製造される：
６ＨＡｕＣｌ_４＋Ｋ_３Ｃ_６Ｈ_５Ｏ_７＋５Ｈ_２Ｏ→６Ａｕ＋６ＣＯ_２＋２１ＨＣｌ＋３ＫＣｌ
ここでは、クエン酸塩は還元剤としてかつ安定剤として作用する。従来、金溶液は９００ｍＬの蒸留水とともに９５ｍＬの１３４ｍＭテトラクロロ金酸水溶液（ＨＡｕＣｌ_４，３Ｈ_２Ｏ，Ｍｅｒｃｋ）及び５ｍＬの３４ｍＭクエン酸三ナトリウム水溶液（Ｃ_６Ｈ_８Ｏ_７Ｎａ_３・２Ｈ_２Ｏ，Ｍｅｒｃｋ）を加えることによって製造される。それによって得られた溶液は次いで１５分間その沸点にもたらされる。淡黄色を持つが、金溶液は次いで１〜３分以内に赤色になる。

クエン酸塩の熱還元のためのこの方法を用いると、金粒子の安定な分散液を得ることができ、その金濃度は１３４ｍＭであり、その粒子は約１０ｎｍの平均直径及び約１０％の多分散性（図１）を持つ。

高配向熱分解グラファイト上のコロイド金懸濁液の付着はプラズマ源ＡｔｏｍｆｌｏＴＭ−２５０（Ｓｕｒｆｘ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ＬＬＣ）で実施される。図３に記載されるように、プラズマトーチのディフューザーは、３３ｍｍの孔直径を持ちかつ１．６ｍｍの幅の間隙によって分離された二つの有孔アルミニウム電極を含む。この特定の例では、ディフューザーは室温のアルゴン雰囲気下の密閉されたチャンバー内に置かれる。プラズマ源の上部電極１は高周波、例えば１３．５６ＭＨｚの発生装置に接続され、一方下部電極２はアースされる。

プラズマトーチは８０Ｗで操作し、プラズマ３は３０Ｌ／ｍｉｎの流速でアルゴン４を電極からトーチ上流に供給することによって形成される。試料ホルダー７上にあるＨＯＰＧグラファイト試料５と下部電極２の間の空間は６±１ｍｍである。この空間は大気圧下にある。

ナノ粒子を付着する前に、グラファイト支持体は例えば約２分間、プラズマトーチからプラズマの流れを受け、それは支持体を清浄化及び活性化することができる。３〜５ｍＬのコロイド懸濁液がプラズマトーチの後放電領域で試料と実質的に平行な方向６（図３）に噴霧される。コロイド懸濁液は約１５秒間隔で約１秒の周期パルスで約５分間注入される。試料５は次いで、約５分間超音波下でエタノール溶液で洗浄される。

ナノ粒子で被覆されたＨＯＰＧグラファイト表面のＸ線光電子分光（ＸＰＳ）分析は、１０^−９ｍｂａｒの圧力の分析チャンバーでかつ３００Ｗで操作するＡｌ Ｋα Ｘ線源（ｈγ＝１４８６．６ｅＶ）で、ＴｈｅｒｍｏＶＧ Ｍｉｃｒｏｌａｂ ３５０装置で実施された。スペクトルは９０°の記録角度で測定され、２ｍｍ×５ｍｍのＸ線ビームサイズ及び１００ｅＶの分析装置の通過エネルギーで記録された。それに関する化学状態の測定は２０ｅＶの分析装置の通過エネルギーでなされた。結合エネルギーの測定された位置の荷電効果は、カーボン、Ｃ（１Ｓ）のスペクトルエンベロープの結合エネルギーを２８４．６ｅＶ（カーボン表面の偶然による汚染のために一般に認識される値）に設定することによって補正された。カーボン、酸素、及び金スペクトルは、シャーリーベースラインモデル（Ｓｈｉｒｌｅｙ ｂａｓｅ ｌｉｎｅ ｍｏｄｅｌ）及びガウス−ローレンツモデル（Ｇａｕｓｓｉａｎ−Ｌｏｒｅｎｔｚｉａｎ ｍｏｄｅｌ）を使用することによってデコンボリューションされた。

ナノ粒子で被覆されたＨＯＰＧグラファイトの表面のＸＰＳスペクトルは図４に示されている。図４ａは、７７．８％の割合の炭素、１４．９％の割合の酸素、３．２％の割合のカリウム及び１．０％の割合の金の存在を示す。シリカの痕跡もまた、検出され、これらはＨＯＰＧグラファイト試料中に混入される不純物である。この分析はＨＯＰＧグラファイト上の金の強い接着を示すが、試料は超音波下のエタノール溶液中で洗浄された。エタノールでの超音波洗浄化工程の有無にかかわらず、ＨＯＰＧグラファイト上に付着される金の量は同じであることに注意されるべきである。

金スペクトル、Ａｕ（４ｆ）（図４ｂ）は、０．７５：１のセット強度比及び３．７ｅＶの結合エネルギーでスピン軌道二重項Ａｕ４ｆ５／２−Ａｕ４ｆ７／２に対してデコンボリューションされた。単一成分Ａｕ４ｆ７／２は８３．７ｅＶにあり、それはこれをいかなるあいまいさもなしに金金属に帰すると考えることを可能にする。これは、金クラスターがプラズマでの処理時に有意に酸化されたことを意味する。

図４ｄ）に示された炭素スペクトル、Ｃ（１Ｓ）は、炭素−炭素（ｓｐ２）結合を原因とする２８３．７ｅＶの主ピークを含む。２８４．６ｅＶ，２８５．８ｅＶ及び２８８．６ｅＶにあるピークはそれぞれ、Ｃ−Ｃ（ｓｐ３），Ｃ−Ｏ、及びＯ−Ｃ＝Ｏ結合を原因としうる。観察されたＣ−Ｏ及びＯ−Ｃ＝Ｏ結合の存在はおそらく、試料の取扱い中の周囲酸素への試料の短い暴露から又は発光分析（データは示されず）によって後放電特性によって示唆されるようにプラズマ処理中の少量の酸素の存在から生じる。この説明は酸素スペクトル、Ｏ（１ｓ）と一致し、それはＯ−Ｃ結合（５３３．５ｅＶ）及びＯ＝Ｃ結合（５３１．９ｅＶ）の存在を示す。

ナノ粒子で被覆されたＨＯＰＧグラファイトの表面のモルフォロジーは、周囲媒質の条件下で操作するＮａｎｏｓｃｏｐｅ ＩＩＩａコントローラ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｖｅｅｃｏ）を有するＰｉｃｏＳＰＭ（登録商標）ＬＥ装置によって記録された原子間力顕微鏡像を生成することによって研究された。顕微鏡は２５μｍ分析装置を備え、密着方式で操作する。使用されるカンチレバーは、１１０ｎｍの曲率半径を有する統合されたピラミッド先端を有するＮａｎｏｓｅｎｓｏｒｓ（Ｗｅｔｚｌａｒ−Ｂｌａｎｋｅｎｆｅｌｄ、ドイツ）からの低周波数シリカプローブＮＣ−ＡＦＭ Ｐｏｉｎｔｐｒｏｂｅ（登録商標）である。カンチレバーのバネ定数は３０〜７０Ｎｍ^−１の範囲であり、その測定された自由共振周波数は１６３．１ｋＨｚである。像は０．５〜１ライン／秒の走査周波数で記録された。

プラズマ処理によってナノ粒子を付着させる前及び付着させた後の原子間力顕微鏡像（１μｍ×１μｍ）が図５に示されている。図５ｂ）によって示されるように、グラファイトは金のクラスター又は小島で被覆され、それらは分離されて０．０１μｍ（１０ｎｍ）より大きい直径を有するか、又は枝分かれされる。これらの小島は約１２％の被覆率で均一に分散される。

小島の性質を確認するため及び高倍率の像を得るために、エネルギー分散Ｘ線分光計（ＥＤＳ）と結合された走査電子顕微鏡からの像を、分光計（ＥＤＳ，ＪＥＤ−２３００Ｆ）を備えたＪＥＯＬ ＪＳＭ−７０００Ｆ装置によって生成した。１５ｋＶの加速電圧及び８００００倍の倍率で操作するこの装置は、表面構造のモルフォロジーの分析（それは最適なコントラストで観察される）だけでなく、小島のサイズの分布の測定も可能にする。それに関するエネルギー分散Ｘ線分光計分析（ＥＤＳ）はそれらの化学組成を捕えることができる。

それらの分析の前に、グラファイト試料は、約１０^−８ｍｂａｒの圧力下で分析チャンバー中に導入される前に試料ホルダーの銅ストリップ上に前もって付着される。

図６ａによって示されるように、初期状態において、幾つかの工程が２００００倍の倍率で観察可能である。さらに、図６ｂによって示されるように、輝点によって示されかつ均一な分布を有する多くのクラスターが本発明の方法によるナノ粒子を付着させた後にグラファイトの表面に存在する。より大きな倍率（８００００倍、図６ｃ）を用いると、約１０ｎｍの直径を有する集合体及び分離されたナノ粒子を認識することが容易である。エネルギー分散Ｘ線分光分析（図６ｄ）は、輝点が金ナノ粒子であることを確認する。また、集合体が初期コロイド懸濁液の粒子直径（図１）と同じ粒子直径を有する金ナノ粒子のクラスターの小さな束に組織化されることに注意することが重要である。

１ナノメータのオーダの深さ解像度での付着物のモルフォロジーはまた、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ（１９９６）１４ ｐａｇｅ １４１５の論文においてＴｏｕｇａａｒｄらによって提案される方法でＡｕ４ｆピーク（図７）の信号を分析することによって定量化された。

表１は、被覆率（ｔ＝汚染Ｃ層の厚さ）として及び金小島の高さ（ｈ）として表示されるＱＵＡＳＥＳ−Ｔｏｕｇａａｒｄソフトウェアで三つのＡｕ４ｆスペクトルの分析から生じるＨＯＰＧグラファイト上の金小島の構造の特性を示す。生長モードはＶｏｌｍｅｒ−Ｗｅｂｅｒタイプのものである（３Ｄ小島構造）。

驚くべきことに、金小島の高さ（ｈ）は９．２〜１０．６ｎｍで変化し、値はコロイド懸濁液の平均ナノ粒子直径（図１）と実質的に同一である。さらに、支持体の表面の約１２％が約１０ｎｍの金小島でカバーされているようである。約１０％の金被覆率が原子間力顕微鏡及び走査電子顕微鏡によって測定される被覆率と一致することに注意するべきである。従って、ＱＵＡＳＥＳソフトウェアでのスペクトルＡｕ４ｆ曲線の分析は実験データと理論データの間の良好な相関を示す。

実施例２（比較）：
実施例１の方法によるＨＯＰＧ上の金ナノ粒子の付着は、いかなる大気プラズマも使用せずに実施されるナノ粒子付着工程を除いて実施される（図８及び９）。ナノ粒子の付着後及び分析前、得られた試料は超音波を用いて約５分間エタノールで洗浄される。

図８によって示されているように、図４ａと比較すると、いかなる大気プラズマも使用せずにコロイド金溶液の噴霧後に得られた試料のＸＰＳスペクトルは、炭素及び酸素の存在及び金の不存在を実証する。これは関連試料の原子間力顕微鏡像（ＡＦＭ）によって確認される（図５ｂ又は６ｂと比較した図９）。

実施例３（比較）：
実施例１の方法による鋼上の金ナノ粒子の付着は、いかなる大気プラズマも使用せずに実施されるナノ粒子付着工程を除いて実施される。ナノ粒子の付着後及び分析前、得られた試料は超音波を用いて約５分間エタノールで洗浄される。図１４では、鋼の表面のナノ粒子の不存在が気づかれる。

以下の実施例では、使用された方法は実施例１に記載された方法であり、使用された支持体及びコロイド溶液の性質だけが異なる。

実施例４：
金ナノ粒子は超音波洗浄を用いて実施例１に記載された方法に従って鋼支持体上に付着された。図１０では、ナノ粒子の存在が気づかれる。

実施例５：
金粒子は実施例１に記載された方法に従ってガラス支持体上に付着された。図１１では、超音波洗浄後のナノ粒子の存在が気づかれる。

実施例６：
金粒子は超音波洗浄を用いて実施例１に記載された方法に従ってＰＶＣ支持体上に付着された。図１２の顕微鏡像は、試料を金属層で被覆した後に得られた。図１２では、ナノ粒子の存在が気づかれる。

実施例７：
金粒子は超音波洗浄を用いて実施例１に記載された方法に従ってＨＤＰＥ支持体（図１３）上に付着された。図１３の顕微鏡像は、試料を金属層で被覆した後に得られた。図１３では、ナノ粒子の存在が気づかれる。

実施例８：
金ナノ粒子は超音波洗浄後に実施例１に記載された方法に従ってカーボンナノチューブ支持体上に付着された。図１５では、超音波洗浄後に約１０ｎｍの球状ナノ粒子の存在が気づかれる。この金の存在は図１６ではＸＰＳスペクトルによって確認される。

以下の実施例では、Ｇ．Ａ．Ｓｏｍｏｒｊａｉ（カリフォルニア大学、バークレー（米国）の化学部門）によって与えられるコロイドプラチナ及びロジウム溶液が使用された（Ｒ．Ｍ．Ｒｉｏｕｘ，Ｈ．Ｓｏｎｇ，Ｊ．Ｄ．Ｈｏｅｆｅｌｍｅｙｅｒ，Ｐ．Ｙａｎｇ ａｎｄ Ｇ．Ａ．Ｓｏｍｏｒｊａｉ，Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ ２００５，１０９，２１９２−２２０２；Ｙｕａｎ Ｗａｎｇ，Ｊｉａｗｅｎ Ｒｅｎ，Ｋａｉ Ｄｅｎｇ，Ｌｉｎｌｉｎ Ｇｕｉ，ａｎｄ Ｙｏｕｑｉ Ｔａｎｇ，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２０００，１２，１６２２−１６２７）。

実施例９：
プラチナナノ粒子は実施例１に記載された方法に従ってカーボンナノチューブ支持体上に付着された。図１７では、約１０ｎｍの球状ナノ粒子の存在が気づかれる。このプラチナの存在は図１８ではＸＰＳスペクトルによって確認される。

実施例１０：
ロジウムナノ粒子は実施例１に記載された方法に従ってＨＯＰＧカーボン支持体上に付着された。図１９では、超音波洗浄後に約１０ｎｍの球状ナノ粒子の存在が気づかれる。このロジウムの存在は図２０のＸＰＳスペクトルによって確認される。

実施例１１：
ロジウムナノ粒子は実施例１に記載された方法に従ってＰＶＣ支持体上に付着された。図２２の顕微鏡像は試料を金属層で被覆した後に得られた。図２２では、ナノ粒子の存在が気づかれる。

実施例１２：
金ナノ粒子は超音波洗浄を用いて実施例１に記載された方法に従ってＨＤＰＥ支持体上に付着された。図２３の顕微鏡像は試料を金属層で被覆した後に得られた。図２３では、ナノ粒子の存在が気づかれる。

Claims (14)

1. 以下の工程を含む、支持体上にナノ粒子を付着するための方法：
   − ナノ粒子のコロイド溶液又は懸濁液を用意する；そして
   − 大気プラズマにおいて前記支持体の表面上に前記コロイド溶液又は懸濁液を噴霧する。
2. 大気プラズマが大気非熱的プラズマである、請求項１に記載の方法。
3. プラズマがプラズマ発生ガスを含み、前記プラズマ中の前記プラズマ発生ガスの巨視的温度が−２０℃〜６００℃の範囲で変化しうる、請求項２に記載の方法。
4. 前記支持体の前記表面を大気プラズマに供することによって支持体の表面を活性化する工程をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 支持体の表面の活性化及びコロイド溶液又は懸濁液の噴霧が同時に行われる、請求項４に記載の方法。
6. 支持体の表面の活性化が前記支持体の前記表面の清浄化後に行われる、請求項４または５に記載の方法。
7. ナノ粒子のコロイド溶液又は懸濁液を噴霧する工程が大気プラズマの放電領域又は後放電領域において達成される、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. プラズマが大気プラズマトーチによって生成される、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. ナノ粒子のコロイド溶液又は懸濁液の噴霧が支持体の表面に実質的に平行な方向で達成される、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. ナノ粒子が金属、金属酸化物、金属合金又はそれらの混合物のナノ粒子である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. ナノ粒子が少なくとも一種の遷移金属、その対応する酸化物、遷移金属の合金又はそれらの混合物のナノ粒子である、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 支持体が固体支持体、ゲル又はナノ構造材料である、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 支持体が炭素質支持体、カーボンナノチューブ、金属、金属合金、金属酸化物、ゼオライト、半導体、ポリマー、ガラス及び／又はセラミックからなる群から選択される、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
14. 大気プラズマがアルゴン、ヘリウム、窒素、水素、酸素、二酸化炭素、空気又はそれらの混合物からなる群から選択されるプラズマ発生ガスが生成される、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。