JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
化学

Çekirdekleşme ligand-aracılı ve Paladyum Metal nano tanecikleri gelişmesi

Published: June 25, 2018
doi:
10.3791/57667
, , , , , , ,
1Department of Chemical Engineering,Virginia Polytechnic Institute and State University, 2Center for Integrated Nanotechnologies,Los Alamos National Laboratory, 3Advanced Photon Source,Argonne National Laboratory, 4X-ray Science Division,Argonne National Laboratory, 5Environmental Molecular Science Laboratory,Pacific Northwest National Laboratory

Summary

Bu eser ana birleştirerek benn in situ küçük açı x-ray saçılma (SAXS) ve kinetik modelleme ligand tabanlı Paladyum nano tanecikleri boyutunu düzenlenmesinde ajanlar kapatma rolü aydınlatmak için hedeftir.

Abstract

Boyut, boyut dağılımı ve kolloidal nano tanecikleri kararlılığını ligandlar kapatma varlığını tarafından büyük ölçüde etkilenir. Ligandlar sentez reaksiyonu sırasında kapatma anahtar katkı rağmen kolloidal nano tanecikleri çekirdekleşme ve büyüme oranları düzenleyen rollerini iyi anlaşılamamıştır. Bu çalışmada, biz Pd nano tanecikleri içinde farklı çözücüler (Toluen ve pyridine), trioctylphosphine (üst) rolünün mekanik bir soruşturma göstermek in situ SAXS ve kinetik modelleme ligand tabanlı kullanma. Bizim sonuçları farklı sentetik koşullar altında çekirdekleşme örtüşme ve Pd nano tanecikleri büyüme LaMer tipi çekirdekleşme ve büyüme modeli çelişmektedir reaksiyon sırasında ortaya koyuyor. Model Pd-TOP kinetik için bağlayıcı, habercisi hem boyutu evrim gibi parçacıklar içinde in situkonsantrasyonu yakalamak için gerekli olan parçacık yüzey için hesapları. Buna ek olarak, nano tanecikleri istediğiniz boyutları ile elde etmek için sentetik koşullar tasarımı ile bizim ligand tabanlı modeli öngörü gücünü göstermek. Önerilen metodoloji diğer sentez sistemlere uygulanabilir ve bu nedenle akıllı kolloidal nano tanecikleri sentezi için etkili bir strateji olarak hizmet vermektedir.

Introduction

Metalik nano tanecikleri kontrollü sentezi kataliz, fotovoltaik, fotonik, sensörler ve ilaç teslim1,2,3nanostructured malzemelerin büyük uygulamalar nedeniyle büyük önem taşıyor, 4,5. Belirli boyut ve boyut dağılımı ile nano tanecikleri sentezlemek için parçacık çekirdekleşme ve büyüme için temel mekanizmasını anlamak önemlidir. Yine de, nano tanecikleri gibi kriterler ile edinme nano-sentez topluluk sentez mekanizmaları ve sağlam kinetik modelleri literatürde mevcut eksikliği anlamada yavaş ilerleme nedeniyle meydan okudu. 1950’lerde LaMer manken çekirdekleşme ve kükürt süslenmiş, gelişmesi için önerilen çekirdeği6,7difüzyon kontrollü büyüme tarafından takip çekirdekleşme bir patlama olduğu. Önerilen bu modelde bu monomer konsantrasyonu (azaltma veya habercisi ayrışma nedeniyle) arttığını öne ise ve parçacık çekirdekleşme aşmak için düzeyi kritik supersaturation, enerji bariyeri bir kez bir patlama çekirdekleşme (homojen çekirdekleşme) kaynaklanan. Önerilen veri bloğu çekirdekleşme sayesinde, monomer konsantrasyon damla ve kritik supersaturation düzeyin altına düştüğünde, çekirdekleşme durdurur. Daha sonra kurulan çekirdekleri hiçbir ek çekirdekleşme olayları oluşurken monomerleri nano tanecikleri yüzeyden doğru difüzyon yoluyla büyümeye öne. Bu etkili bir şekilde çekirdekleşme ve büyüme zaman ayıran ve boyutu dağıtım8büyüme süreci sırasında denetleme olur. Bu model Ag9, Au10, CdSe11ve Fe3O412de dahil olmak üzere farklı nano tanecikleri oluşumunu açıklamak için kullanılmıştır. Ancak, çeşitli çalışmalarda klasik çekirdekleşme teorisi (CNT) kolloidal nano tanecikleri, oluşumu özellikle nerede çekirdekleşme ve büyüme çakışma1gözlenen metalik nano tanecikleri için tanımlayamayacağım resimli, 13,14,15,16,17. Bu çalışmalar birinde, Watzky ve Finke iridyum nano tanecikleri13yavaş sürekli çekirdekleşme bir hızlı nanopartikül yüzey büyüme (büyüme otokatalitik nerede) ile çakışıyor, oluşumu için bir iki adım mekanizma kurdu. Yavaş çekirdekleşme ve hızlı otokatalitik büyüme de metal nano tanecikleri gibi Pd14,15,18, Pt19,20ve Rh21 farklı türleri için tespit edildi ,22. Gelişmekte olan çekirdekleşme ve büyüme modelleri1,23,24,25, ligandlar rolünün son gelişmeler rağmen sık sık önerilen modellerinde yoksayılır. Yine de, ligandlar nano tanecikleri boyutu14,15,26 ve morfoloji19,27 yanı sıra katalitik aktivitesi ve seçicilik28 etkilemeye gösterilir , 29. Örneğin, Yang ve ark. 30 trioctylphosphine (üst) konsantrasyonu değiştirerek 9,5 ve 15 nm arasında değişen Pd nanopartikül boyutu kontrol. Manyetik Nano tanecikleri (Fe3O4) sentezinde boyutu önemli ölçüde azalmıştır 11’den 5’e ne zaman metal habercisi oranı (octadecylamine) ligand 1 ile 60 arttı nm. İlginçtir, Pt nano tanecikleri boyutunu Amin ligandlar zincir uzunluğu hassas olduğu gösterilmiştir (Örn., n-hexylamine ve octadecylamine), daha küçük nanopartikül boyutu uzun zinciri kullanma elde edilebilir nerede (i.e., octadecylamine)31.

Farklı konsantrasyon ve farklı ligandlar neden boyutu değişiklik ligandlar çekirdekleşme ve büyüme kinetik içinde katkı için açık bir delildir. Ne yazık ki, birkaç çalışmalar rol ligandlar ve bu çalışmalarda sorumluydu, çeşitli varsayımlar kez basitlik uğruna, hangi sırayla bu modeller sadece belirli koşullar32,33için geçerli yapmak yapılmıştır. Daha ayrıntılı olarak, Rempel ve iş ligandlar kapatma huzurunda kuantum nokta (CdSe) oluşumunu açıklamak için kinetik bir model geliştirdi. Ancak, onların çalışmada, denge herhangi bir zamanda32olmak nanopartikül yüzeyli ligand bağlayıcı kabul edilir. Ligandlar büyük fazla olduğunda bu varsayım doğru tutabilir. Bizim grup yakın zamanda ligandlar habercisi (metal karmaşık) ve nanopartikül olarak ters tepkiler14yüzeyi ile kapatma bağlama sorumluydu yeni bir ligand tabanlı modeli14 geliştirdi. Buna ek olarak, bizim ligand tabanlı modeli potansiyel olarak diğer metal nanopartikül sistemlerinde nerede sentez kinetik ligandlar varlığı ile etkilendiğimi kullanılabilir.

Mevcut çalışmada, oluşumu ve Pd nano tanecikleri Toluen ve pyridine de dahil olmak üzere farklı çözücüler içinde büyüme tahmin etmek için bizim yeni geliştirilen ligand tabanlı modeli kullanın. Bizim model girişi için in situ SAXS konsantrasyonu sentezi sırasında nano tanecikleri ve boyut dağılımının elde etmek için kullanılmıştır. Kinetik modelleme tarafından tamamlanmaktadır parçacıklar, konsantrasyon ve boyutu ölçüm çekirdekleşme ve büyüme oranları daha kesin bilgi almak için bize izin verir. Biz daha fazla göstermek açıkça ligand-metal bağlama için hesapları, bizim ligand tabanlı modeli son derece akıllı ve nano tanecikleri istediğiniz boyutları ile elde etmek için sentez yordamlar tasarlamak için kullanılabilir.

Protocol

1. Pd asetat rekristalizasyon Dikkat: Bu protokol yüksek sıcaklık cam ve çözüm ile uygulamalı işlemleri içerir. Gözlük ve ısıya dayanıklı eldiven dahil olmak üzere kişisel koruyucu ekipman kullanın. Çözüm işleme ile ilgili tüm işlemler bir duman mahallede yapılmalıdır ve susuz asetik asitin aşındırıcı ve yanıcı özellikler nedeniyle yakın diğer ısıtma kaynakları kaçının. Susuz asetik asit 40 mL 50 mL üç boyun alt şişe ile Pd asetat ve bir…

Representative Results

Sistematik olarak kapatma ligandlar kinetik çekirdekleşme ve büyüme değiştirmek olup olmadığını incelemek için biz iki aşağıdaki yaklaşım aldı: (i) metal ile ligand bağlanması için önceki çalışmalarda benzer kinetik modelindeki düşünülmedi (i.e., çekirdekleşme ve otokatalitik büyüme) (II) ligand habercisi ve nanoparçacık yüzeyi ile kapatma tersinir bağlama modeli dikkate alınmıştır (i.e., iletişim kuralında tanımlanan ligand tab…

Discussion

Bu çalışmada, ligandlar çekirdekleşme ve metal nano tanecikleri büyüme sınırı etkisini incelemek için güçlü bir metodoloji sunduk. Pd nano tanecikleri farklı çözücüler (Toluen ve pyridine) olarak sentezlenmiş Pd asetat metal habercisi ve üst ligand kullanarak. Azaltılmış atomlar (çekirdekleşme ve büyüme olayları) konsantrasyonu nano tanecikleri (çekirdekleşme olay), konsantrasyon yanı sıra deneysel her iki tane observable modeli girdi kullanıldığı ayıklamak için in situ SAX…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Çalışma öncelikle Ulusal Bilim Vakfı (NSF) tarafından finanse edildi, Kimya Bölümü (Ödülü numarası CHE-1507370) kabul edilmektedir. Ayman M. Karim ve Wenhui Li kabul 3M tarafından kısmi finansal destek sigara Tenured öğretim Ödülü. Bu araştırma kullanılan kaynaklar Gelişmiş foton kaynak (beamline 12-ID-C, Kullanıcı öneri GUP-45774), bir ABD bölümü enerji (DOE) Ofis, bilim Kullanıcı tesis için DOE Office Bilim Sözleşme No altında Argonne Ulusal Laboratuvarı tarafından işletilen DE-AC02-06CH11357. Yazarlar Yubing Lu, SAXS ölçümleri nazik onun yardımıyla Virginia Tech Kimya Mühendisliği bölümünde doktora adayı teşekkür etmek istiyorum. Bir ofis bilim Kullanıcı tesis ABD bölümü enerji (DOE) Office Bilim için ameliyat, sunulan iş kısmen için entegre nanoteknoloji merkezinde idam edildi. Los Alamos Ulusal Laboratuvarı, pozitif ayrımcılık eşit fırsat işveren, Los Alamos Ulusal güvenlik, LLC, ABD Enerji Bakanlığı Sözleşmeli DE-AC52-06NA25396 Ulusal Nükleer güvenlik yönetimi için işletilmektedir.

Materials

palladium acetate (Pd(OAc)2) ALDRICH 520764
anhydrous acetic acid SIAL 338826
trioctylphosphine ALDRICH 718165
pyridine MilliporeSigma PX2012-7
toluene SIAL 244511
1-hexanol SIAL 471402
N8 Horizon SAXS Bruker A32-X1
glovebox Vaccum Atmospheres Co. 109035
MR HEI-TEC 115V Hotplate Heidolph 5053000000
hotplate Monoblock insert Heidolph 5058000800
heat-On 25-ml insert Heidolph 5058006200
7 mL vials SUPELCO 27518
micro stir bar PTFE  VWR 58948-353
egg-Shaped Bars  Fisherbrand™  14-512-121
25 mL round bottom flasks ALDRICH Z167495
quartz capillary Hampton Research HR6-148
MATLAB R2016b MathWorks
Bruker SAXS 1.0v Bruker
Diffrac Measurement Center 4.0v Bruker
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Özkar, S., Finke, R. G. Palladium(0) Nanoparticle Formation, Stabilization, and Mechanistic Studies: Pd(acac)2 as a Preferred Precursor, [Bu4N]2HPO4 Stabilizer, plus the Stoichiometry, Kinetics, and Minimal, Four-Step Mechanism of the Palladium Nanoparticle Formation and Subsequent Agglomeration Reactions. Langmuir. 32 (15), 3699-3716 (2016).
  2. Ma, S., Tang, Y., Liu, J., Wu, J. Visible paper chip immunoassay for rapid determination of bacteria in water distribution system. Talanta. 120, 135-140 (2014).
  3. Jing, C., et al. New insights into electrocatalysis based on plasmon resonance for the real-time monitoring of catalytic events on single gold nanorods. Analytical chemistry. 86 (11), 5513-5518 (2014).
  4. Tobias, A., Qing, S., Jones, M. Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles. Journal of Visualized Experiments. (109), e53383 (2016).
  5. Rezvantalab, H., Connington, K. W., Shojaei-Zadeh, S. Shear-induced interfacial assembly of Janus particles. Physical Review Fluids. 1 (7), 074205 (2016).
  6. Mer, V. K. L. Nucleation in Phase Transitions. Industrial & Engineering Chemistry. 44 (6), 1270-1277 (1952).
  7. LaMer, V. K., Dinegar, R. H. Theory, production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols. Journal of the American Chemical Society. 72 (11), 4847-4854 (1950).
  8. Polte, J. Fundamental growth principles of colloidal metal nanoparticles-a new perspective. CrystEngComm. 17 (36), 6809-6830 (2015).
  9. Sugimoto, T., Shiba, F., Sekiguchi, T., Itoh, H. Spontaneous nucleation of monodisperse silver halide particles from homogeneous gelatin solution I: silver chloride. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 164 (2), 183-203 (2000).
  10. Yao, Q., et al. Understanding seed-mediated growth of gold nanoclusters at molecular level. Nature Communications. 8, (2017).
  11. van Embden, J., Sader, J. E., Davidson, M., Mulvaney, P. Evolution of Colloidal Nanocrystals: Theory and Modeling of their Nucleation and Growth. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (37), 16342-16355 (2009).
  12. Vreeland, E. C., et al. Enhanced Nanoparticle Size Control by Extending LaMer’s Mechanism. Chemistry of Materials. 27 (17), 6059-6066 (2015).
  13. Watzky, M. A., Finke, R. G. Transition Metal Nanocluster Formation Kinetic and Mechanistic Studies. A New Mechanism When Hydrogen Is the Reductant: Slow, Continuous Nucleation and Fast Autocatalytic Surface Growth. Journal of the American Chemical Society. 119 (43), 10382-10400 (1997).
  14. Mozaffari, S., et al. Colloidal nanoparticle size control: experimental and kinetic modeling investigation of the ligand-metal binding role in controlling the nucleation and growth kinetics. Nanoscale. 9 (36), 13772-13785 (2017).
  15. Karim, A. M., et al. Synthesis of 1 nm Pd Nanoparticles in a Microfluidic Reactor: Insights from in Situ X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy and Small-Angle X-ray Scattering. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (23), 13257-13267 (2015).
  16. Ortiz, N., Skrabalak, S. E. Manipulating local ligand environments for the controlled nucleation of metal nanoparticles and their assembly into nanodendrites. Angewandte Chemie International Edition. 51 (47), 11757-11761 (2012).
  17. Ortiz, N., Hammons, J. A., Cheong, S., Skrabalak, S. E. Monitoring Ligand-Mediated Growth and Aggregation of Metal Nanoparticles and Nanodendrites by In Situ Synchrotron Scattering Techniques. ChemNanoMat. 1 (2), 109-114 (2015).
  18. Abellan, P., et al. Gaining Control over Radiolytic Synthesis of Uniform Sub-3-nanometer Palladium Nanoparticles: Use of Aromatic Liquids in the Electron Microscope. Langmuir. 32 (6), 1468-1477 (2016).
  19. Yin, X., et al. Quantitative Analysis of Different Formation Modes of Platinum Nanocrystals Controlled by Ligand Chemistry. Nano Letters. 17 (10), 6146-6150 (2017).
  20. Besson, C., Finney, E. E., Finke, R. G. A Mechanism for Transition-Metal Nanoparticle Self-Assembly. Journal of the American Chemical Society. 127 (22), 8179-8184 (2005).
  21. Yao, S., et al. Insights into the Formation Mechanism of Rhodium Nanocubes. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (28), 15076-15086 (2012).
  22. Asakura, H., et al. In situ time-resolved DXAFS study of Rh nanoparticle formation mechanism in ethylene glycol at elevated temperature. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (9), 2983-2990 (2012).
  23. Harada, M., Ikegami, R. In Situ Quick X-ray Absorption Fine Structure and Small-Angle X-ray Scattering Study of Metal Nanoparticle Growth in Water-in-Oil Microemulsions during Photoreduction. Crystal Growth & Design. 16 (5), 2860-2873 (2016).
  24. Lazzari, S., Abolhasani, M., Jensen, K. F. Modeling of the formation kinetics and size distribution evolution of II-VI quantum dots. Reaction Chemistry & Engineering. 2 (4), 567-576 (2017).
  25. Maceiczyk, R. M., Bezinge, L. Kinetics of nanocrystal synthesis in a microfluidic reactor: theory and experiment. Reaction Chemistry & Engineering. 1 (3), 261-271 (2016).
  26. LaGrow, A. P., Ingham, B., Toney, M. F., Tilley, R. D. Effect of Surfactant Concentration and Aggregation on the Growth Kinetics of Nickel Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (32), 16709-16718 (2013).
  27. Lim, B., et al. Shape-controlled synthesis of Pd nanocrystals in aqueous solutions. Advanced Functional Materials. 19 (2), 189-200 (2009).
  28. Schrader, I., Warneke, J., Backenköhler, J., Kunz, S. Functionalization of Platinum Nanoparticles with l-Proline: Simultaneous Enhancements of Catalytic Activity and Selectivity. Journal of the American Chemical Society. 137 (2), 905-912 (2015).
  29. Wan, X. -. K., Wang, J. -. Q., Nan, Z. -. A., Wang, Q. -. M. Ligand effects in catalysis by atomically precise gold nanoclusters. Science Advances. 3 (10), e1701823 (2017).
  30. Yang, Z., Klabunde, K. J. Synthesis of nearly monodisperse palladium (Pd) nanoparticles by using oleylamine and trioctylphosphine mixed ligands. Journal of Organometallic Chemistry. 694 (7), 1016-1021 (2009).
  31. Wikander, K., Petit, C., Holmberg, K., Pileni, M. -. P. Size control and growth process of alkylamine-stabilized platinum nanocrystals: a comparison between the phase transfer and reverse micelles methods. Langmuir. 22 (10), 4863-4868 (2006).
  32. Rempel, J. Y., Bawendi, M. G., Jensen, K. F. Insights into the Kinetics of Semiconductor Nanocrystal Nucleation and Growth. Journal of the American Chemical Society. 131 (12), 4479-4489 (2009).
  33. Perala, S. R. K., Kumar, S. On the Mechanism of Metal Nanoparticle Synthesis in the Brust-Schiffrin Method. Langmuir. 29 (31), 9863-9873 (2013).
  34. Dreiss, C. A., Jack, K. S., Parker, A. P. On the absolute calibration of bench-top small-angle X-ray scattering instruments: a comparison of different standard methods. Journal of applied crystallography. 39 (1), 32-38 (2006).
  35. Li, T., Senesi, A. J., Lee, B. Small Angle X-ray Scattering for Nanoparticle Research. Chemical Reviews. 116 (18), 11128-11180 (2016).
  36. Kotlarchyk, M., Stephens, R. B., Huang, J. S. Study of Schultz distribution to model polydispersity of microemulsion droplets. The Journal of Physical Chemistry. 92 (6), 1533-1538 (1988).
  37. Watzky, M. A., Finney, E. E., Finke, R. G. Transition-Metal Nanocluster Size vs Formation Time and the Catalytically Effective Nucleus Number: A Mechanism-Based Treatment. Journal of the American Chemical Society. 130 (36), 11959-11969 (2008).
  38. Watzky, M. A., Finke, R. G. Nanocluster Size-Control and “Magic Number” Investigations. Experimental Tests of the “Living-Metal Polymer” Concept and of Mechanism-Based Size-Control Predictions Leading to the Syntheses of Iridium(0) Nanoclusters Centering about Four Sequential Magic Numbers. Chemistry of Materials. 9 (12), 3083-3095 (1997).
  39. Özkar, S., Finke, R. G. Nanoparticle Nucleation Is Termolecular in Metal and Involves Hydrogen: Evidence for a Kinetically Effective Nucleus of Three {Ir3H2x·P2W15Nb3O62}6- in Ir(0)n Nanoparticle Formation From [(1,5-COD)IrI·P2W15Nb3O62]8- Plus Dihydrogen. Journal of the American Chemical Society. 139 (15), 5444-5457 (2017).
  40. Sahu, P., Prasad, B. L. Time and temperature effects on the digestive ripening of gold nanoparticles: is there a crossover from digestive ripening to Ostwald ripening?. Langmuir. 30 (34), 10143-10150 (2014).
  41. Schwartzkopf, M., et al. Real-Time Monitoring of Morphology and Optical Properties during Sputter Deposition for Tailoring Metal-Polymer Interfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (24), 13547-13556 (2015).

Tags

PalladiumNanoparticlesNucleationGrowthSAXSKinetic RatesCapping LigandsColloidalMetal OxidesPalladium AcetateVacuum FiltrationCrystallization

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Mozaffari, S., Li, W., Thompson, C., Ivanov, S., Seifert, S., Lee, B., Kovarik, L., Karim, A. M. Ligand-Mediated Nucleation and Growth of Palladium Metal Nanoparticles. J. Vis. Exp. (136), e57667, doi:10.3791/57667 (2018).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image