硫黄コポリマーマトリックス内リガンドフリーのCdSナノ粒子の合成
Summary
Herein we present a method to synthesize ligand-free cadmium sulfide (CdS) nanoparticles based on a unique sulfur copolymer. The sulfur copolymer operates as a high temperature solvent and a sulfur source during the nanoparticle synthesis and stabilizes the nanoparticles after the reaction.
Abstract
Aliphatic ligands are typically used during the synthesis of nanoparticles to help mediate their growth in addition to operating as high-temperature solvents. These coordinating ligands help solubilize and stabilize the nanoparticles while in solution, and can influence the resulting size and reactivity of the nanoparticles during their formation. Despite the ubiquity of using ligands during synthesis, the presence of aliphatic ligands on the nanoparticle surface can result in a number of problems during the end use of the nanoparticles, necessitating further ligand stripping or ligand exchange procedures. We have developed a way to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanoparticles using a unique sulfur copolymer. This sulfur copolymer is primarily composed of elemental sulfur, which is a cheap and abundant material. The sulfur copolymer has the advantages of operating both as a high temperature solvent and as a sulfur source, which can react with a cadmium precursor during nanoparticle synthesis, resulting in the generation of ligand free CdS. During the reaction, only some of the copolymer is consumed to produce CdS, while the rest remains in the polymeric state, thereby producing a nanocomposite material. Once the reaction is finished, the copolymer stabilizes the nanoparticles within a solid polymeric matrix. The copolymer can then be removed before the nanoparticles are used, which produces nanoparticles that do not have organic coordinating ligands. This nascent synthesis technique presents a method to produce metal-sulfide nanoparticles for a wide variety of applications where the presence of organic ligands is not desired.
Introduction
合成のために有用であることがわかっているが、従来の脂肪族リガンドは、フォトニックおよび電気化学デバイスにおけるナノ粒子の実施のための多くの課題を提示します。脂肪族リガンドは、高度したがって、絶縁疎 水性、および電気化学的表面反応に大きな障壁を構成している。1されている、いくつかの研究は、機能的な部分でこれらの脂肪族配位子を交換プロトコルをストリッピング配位子交換とリガンドを開発してきたか、それは裸のナノ粒子を明らかにするリガンドをはぎ取ります。表面1から3これらの反応は、しかし、いくつかの本質的な問題を提起します。彼らは大幅にこれらの技術を使用しているときは常に完了まで行っていない、とナノ粒子の表面を劣化させることができ、ひいては、デバイス製造時に重大な問題を課すことができ、合成プロセスの複雑さを追加します。4
私たちは、その硫黄共重合体を開発しましたCdSナノ粒子の合成中に高温溶媒と硫黄源の両方として使用することができる。5この共重合体は、チャンら元素硫黄及び1,3-ジイソプロペニルベンゼン（DIB）を使用することによって開発されたネットワークの共重合体に基づくものである。6で我々の場合は、メチルモノマーは、代わりにDIBで実装されています。メチルスチレンモノマーの制限さもなければ高分子ネットワークの共重合体を生成する架橋反応、5,6-メチルスチレンモノマーの一つのビニル官能基が存在すると、硫黄共重合体を可能に一度加熱オリゴマーラジカルの形成を促進しますナノ粒子合成中の並列の液体溶媒と硫黄源として動作する。5具体的には、硫黄ポリマーは、直線構造液体硫黄ジラジカル形態に移行するS 8環を引き起こす150℃に元素硫黄を加熱することによって製造されます。次に、メチルがiを注入され、 5メチルスチレン二重結合は、図1に示すように、共重合体を製造するために、硫黄鎖と反応し、硫黄原子にメチル分子1:50のモル比で液体硫黄NTO。5硫黄共重合体を冷却し、カドミウム前駆体であります追加されます。次いで、この混合物を硫黄の共重合体が溶融し、ナノ粒子の核形成及び成長プロセスは、溶液内で開始され、その間に、200℃に再加熱されて5〜20：カドミウム前駆体硫黄の1モル比が使用されている、のように一部のみ硫黄は、反応中に消費される。5この共重合体は、反応が終了した後、固体ポリマーマトリックス内にそれらを懸濁することによってナノ粒子を安定化させる。5共重合体を合成した後に除去することができ、持っていないのCdSナノ粒子の産生をもたらします図2に示すように、有機配位リガンド、5
ontent ">この仕事で提示する合成方法は、文献に提示され、他の方法に比べて比較的簡単である1 – 。。3,7それは伝統的な連結したナノ粒子は、問題または望ましくないことが証明されているアプリケーションの多様な範囲に適用可能である。この技術は、することができますナノ粒子の1バッチが複雑で時間のかかるリガンドストリッピングまたは交換手順を必要とせずに、その後の官能化の完全なスペクトルを調べるために使用することができ、より高いスループット試験にドアを開ける。2,4,8,9これらの未連結のナノ粒子はまたの機会を提供しています炭素源を排除することによって、一般的に印刷されたナノ粒子デバイスにおいて観察された炭素欠陥の数を減らすために10 – 16をこの詳細なプロトコルは、他の人は、この新しいメソッドを実装し、見つける様々な分野でその積極的な活用を促進支援するために役立つことを意図しています特に重要なこと。Protocol
Representative Results
Discussion
We have developed a method to synthesize CdS nanoparticles within a sulfur copolymer matrix. This sulfur copolymer is composed of elemental sulfur and methylstyrene.5 An important feature of this method is that the copolymer can be used as both a high-temperature solvent and a sulfur source that reacts with a cadmium precursor to produce CdS nanoparticles in solution.5 The critical step in the procedure is the synthesis of the sulfur copolymer with a suitable ratio of methylstyrene and sulfur. The u…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the State of Washington for supporting this research through the University of Washington Clean Energy Institute Exploratory Fellowship Program, and National Science Foundation (NSF) Sustainable Energy Pathway (SEP) Award CHE-1230615.
Materials
| Sulfur (S8), 99.5% | Sigma Aldrich | 84683 | |
| α-methylstyrene, 99% | Sigma Aldrich | M80903 | |
| Cadmium acetylacetonate (Cd(acac)), 99.9% | Sigma Aldrich | 517585 | Highly Toxic |
| Chloroform (CHCl3), 99.5% | Sigma Aldrich | C2432 | |
| Hotplate / magnetic stirrer | IKA RCT | 3810001 | |
| Temperature controller with probe and heating mantle | Oakton Temp 9000 | WD-89800 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter Allegra X-22 | 392186 | |
| Centrifuge Tubes | Thermo Scientific | 3114 | Teflon for resistance to chlorinated solvents |
| TEM with attached EDS detector | FEI Tecnai G2 F-20 with EDAX detector | ||
| TEM Sample Grid | Ted Pella | 1824 | Ultrathin carbon film substrate with holey carbon support films on a 400 mesh copper grid |
| XRD | Bruker F-8 Focus Diffractometer | ||
| Molybdenum coated soda lime glass substrates | 750 nm thick sputtered molybdenum layer | ||
| Quartz Fluorescence Cuvettes | Sigma Aldrich | Z803073 | 10 mm by 10 mm, 4 polished sides with screw top |
| UV-Vis-NIR | Perkin Elmer Lambda 1050 Spectrometer | With 3D WB Detector Module | |
| PL | Horiba FL3-21tau Fluorescence Spectrophotometer |
Referenzen
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