Wässrige Synthese von plasmonischen Nanopartikeln aus Gold-Zinn-Legierungen
Summary
Hier wird die Synthese von Gold (Au)-Samen mit der Turkevich-Methode beschrieben. Diese Seeds werden dann zur Synthese von Nanopartikeln aus Gold-Zinn-Legierung (Au-Sn) mit einstellbaren plasmonischen Eigenschaften verwendet.
Abstract
Dieses Protokoll beschreibt die Synthese von Au-Nanopartikel-Seeds und die anschließende Bildung von Au-Sn-Bimetall-Nanopartikeln. Diese Nanopartikel haben potenzielle Anwendungen in der Katalyse, Optoelektronik, Bildgebung und Wirkstoffverabreichung. Bisher waren Methoden zur Herstellung von Legierungsnanopartikeln zeitaufwändig, erforderten komplexe Reaktionsbedingungen und konnten zu inkonsistenten Ergebnissen führen. Das skizzierte Protokoll beschreibt zunächst die Synthese von ca. 13 nm großen Au-Nanopartikel-Seeds unter Verwendung der Turkevich-Methode. Das Protokoll beschreibt als nächstes die Reduktion von Sn und dessen Einbau in die Au-Seeds, um Nanopartikel aus Au-Sn-Legierungen zu erzeugen. Die optische und strukturelle Charakterisierung dieser Nanopartikel wird beschrieben. Optisch sind markante lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs) mit Hilfe der UV-sichtbaren Spektroskopie sichtbar. Strukturell reflektiert die Pulver-Röntgenbeugung (XRD) alle Partikel mit einer Größe von weniger als 20 nm und zeigt Muster für intermetallische Au-, Sn- und mehrere intermetallische Au-Sn-Phasen. Die sphärische Morphologie und Größenverteilung werden aus der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) gewonnen. TEM zeigt, dass die Nanopartikel nach dem Einbau von Sn auf einen Durchmesser von etwa 15 nm anwachsen.
Introduction
Plasmonische Metall-Nanopartikel 1,2 finden Anwendung in der Katalyse, Optoelektronik, Sensorik und Nachhaltigkeit aufgrund ihrer Fähigkeit, Licht mit großer Effizienz zu absorbieren, Licht in Sub-Nanometer-Volumina zu konzentrieren und katalytische Reaktionen zu verbessern 3,4,5. Nur wenige Metalle weisen effiziente lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs) auf. Eines der am weitesten verbreiteten Metalle ist Au3.
Au ist ein umfassend untersuchtes Edelmetall, das für seine stabile Legierungsbildung mit anderen Metallen bekannt ist. Der Au-LSPR ist jedoch auf das sichtbare und infrarote Licht beschränkt und kann nicht auf höhere Energien abgestimmt werden 6,7,8. In der Zwischenzeit haben Post-Transition-Metalle eine Vielzahl interessanter reaktiver und katalytischer Eigenschaften, die sich von den Edelmetallen 6,9,10 unterscheiden. Durch die Legierung von Au mit Post-Transition-Metallen kann das LSPR auf höhere Energien in Richtung UV1 abgestimmt werden. Dieses Protokoll konzentriert sich auf die Au-Sn-Legierung. Sn ist dafür bekannt, dass es leicht mit vielen Metallen legiert, UV-LSPRs aufweisen kann und interessante katalytische Anwendungen hat, wie z. B. die Bildung von Ameisensäure durch Kohlendioxidreduktion 6,7,8. Au- und Sn-Legierungen wurden unter Verwendung eines Seeed-Prozesses durch chemische Reduktion und Diffusion von Sn in die Samen synthetisiert.
Das Hauptziel dieser Methode ist es, wässrige Metall-Nanopartikel-Legierungen schnell (d. h. in wenigen Stunden) und reproduzierbar auf dem Labortisch mit wässriger Chemie zu synthetisieren. Zunächst werden Au-Samen nach der Turkevich-Methode11 hergestellt, gefolgt von der samenbasierten Diffusionssynthese, einer gängigen Strategie bei der Bildung von zufälligen Legierungsnanopartikeln8. Insbesondere erfordert das Legieren von Sn eine relativ kurze Zeit (~30 min) in einer milden Umgebung mit einfacher Ausrüstung im Vergleich zu anderen Methoden 7,8, die höhere Temperaturen, Instrumente mit höherem Vakuum oder gefährliche Lösungsmittel erfordern. Dieser Prozess kann unter milden, wässrigen Bedingungen durchgeführt werden, ohne dass aufwändige Umweltkontrollen erforderlich sind. Die resultierenden Au-Sn-Legierungen weisen eine konsistente Morphologie, Größe, Form und optischen Eigenschaften auf, die durch Manipulation des Sn-Gehalts gesteuert werden können.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Studie wurden Au-Samen nach der Turkevich-Methode11 hergestellt. Unter Berücksichtigung der verfahrenstechnischen Einschränkungen dieser Methode ist es notwendig, die 480-μl-Injektion von 100 mM Trinatriumcitrat schnell durchzuführen. Wenn die Citratlösung langsam injiziert wird, können sich polydisperse Partikel mit einer großen Größenverteilung bilden. Darüber hinaus kann die Sauberkeit der Glaswaren die Qualität und Konsistenz von Au-Samen erheblich beeinträchtigen. Wenn d…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit bezieht sich auf die Auszeichnungen N00014-20-1-2858 und N00014-22-1-2654 des Department of Navy, die vom Office of Naval Research ausgestellt wurden. Die Charakterisierung wurde teilweise durch das National Science Foundation Major Research Instrumentation Program im Rahmen von Grant 2216240 unterstützt. Diese Arbeit wurde teilweise auch von der University of Massachusetts Lowell und dem Commonwealth of Massachusetts unterstützt. Wir danken den UMass Lowell Core Research Facilities.
Materials
| Basix Microcentrifuge Tubes | Fisher Scientific | Cat#02-682-004 | |
| Cary 100 UV-visible Spectrophotometer | Agilent Technologies | Cat#G9821A; RRID:SCR_019481 | |
| Cary WinUV | Agilent Technologies | https://www.agilent.com/en/product/molecular-spectroscopy/uv-vis-uv-visnir-spectroscopy/uv-vis-uv-vis-nirsoftware/cary-winuv-softwar | |
| Crystallography Open Database | CrystalEye | RRID: SCR_005874 | http://www.crystallography.net/ |
| Cu Carbon Type-B Grids (200 mesh, 97 µm grid holes) |
Ted Pella | Cat#01811 | |
| Direct-Q 3 UV-R Water Purification System | MilliporeSigma | Cat#ZRQSVR300 | |
| Entris Analytical Balance | Sartorius | Cat#ENTRIS64I-1SUS | |
| Glass round-bottom flask (250 mL) | Fisher Scientific | Cat#FB201250 | |
| Glass scintillation vials | Wheaton | Cat#986548 | |
| Hydrochloric acid (HCl, NF/FCC) |
Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0, 7732-18-5 | |
| Hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate (HAuCl4·3H2O, 99.99%) |
Alfa Aesar | CAS: 16961-25-4 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| ImageJ | National Institute of Health | RRID: SCR_003070 | https://imagej.nih.gov/ij/download.html |
| Isotemp GPD 10 Hot Water Bath | Fisher Scientific | Cat#FSGPD10 | |
| Isotemp Hot Plate Stirrer | Fisher Scientific | Cat#SP88857200 | |
| Mili-Q Ultrapure Water (18.2 MΩ-cm) |
Water purification system | ||
| Miniflex X-Ray Diffractometer | Rigaku | RRID:SCR_020451 | https://www.rigaku.com/products/xrd/miniflex |
| Model 5418 Microcentrifuge | Eppendorf | Cat#022620304 | |
| Nitric acid (HNO3, Certified ACS Plus) |
Fisher Scientific | CAS: 7697-37-2, 7732-18-5 | |
| On/Off Temperature Controller for Heating Mantle | Fisher Scientific | Cat#11476289 | |
| Optifit Racked Pipette Tips (0.5-200 µL) | Sartorius | Cat#790200 | |
| Optifit Racked Pipette Tips (10-1000 µL) | Sartorius | Cat#791000 | |
| Philips CM12 120 kV Transmission Electron Microscope | Philips | RRID:SCR_020411 | |
| Pipette Tups (1-10 mL) | USA Scientific | Cat#1051-0000 | |
| Poly(vinylpyrrolidone) (PVP; molecular weight [MW] = 40,000) |
Alfa Aesar | CAS: 9003-39-8 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| Practum Precision Balance | Sartorius | Cat# PRACTUM1102-1S | |
| PTFE Magnetic Stir Bar (12.7 mm) | Fisher Scientific | Cat#14-513-93 | |
| PTFE Magnetic Stir Bar (25.4 mm) | Fisher Scientific | Cat#14-513-94 | |
| Quartz Cuvette (length × width × height: 10 mm × 12.5 mm × 45 mm) |
Fisher Scientific | Cat#14-958-126 | |
| Round Bottom Heating Mantle 120 V 250 mL | Fisher Scientific | Cat#11-476-004 | |
| SmartLab Studio II | Rigaku | https://www.rigaku.com/products/xrd/studio | |
| Sodium borohydride (NaBH4, 97+%) |
Alfa Aesar | CAS: 16940-66-2 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| SureOne Pipette Tips (0.1-10 µL) | Fisher Scientific | Cat#02-707-437 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P10) | Sartorius | Cat#LH-729020 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P1000) | Sartorius | Cat#LH-729070 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P10000) | Sartorius | Cat#LH-729090 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P20) | Sartorius | Cat#LH-729030 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P200) | Sartorius | Cat#LH-729060 | |
| Tin (IV) chloride (SnCl4, 99.99%) |
Alfa Aesar | CAS: 7646-78-8 | kept in the fume hood and sealed with Parafilm between uses to avoid exposure to ambient conditions |
| Trisodium citrate dihydrate (C6H5Na3O7·2H2O, 99%) |
Alfa Aesar | CAS: 6132-04-3 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| Zero-Background Si Sample Holder | Rigaku |
Referenzen
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