Sintesi di CdS nanoparticelle libera-ligando all'interno di una matrice zolfo Copolimero
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
Anche se dimostrato utile per la sintesi, convenzionali leganti alifatici presentano una serie di sfide per la realizzazione di nanoparticelle in dispositivi fotonici e elettrochimici. Leganti alifatici sono altamente isolante, idrorepellente, e costituiscono un ostacolo significativo per reazioni superficiali elettrochimiche. 1 Di conseguenza, diversi studi hanno messo a punto lo scambio ligando e ligando strippaggio protocolli che sostituiscono questi ligandi alifatici con porzioni funzionali o quel lembo via i ligandi per rivelare una nanoparticella nuda superficie 1 -. 3 Queste reazioni, tuttavia, pongono diversi problemi intrinseci. Esse aumentano in modo significativo la complessità del processo sintetico, non sempre andare a completamento, e può deteriorare la superficie delle nanoparticelle, che possono a loro volta imporre notevoli problemi durante la fabbricazione del dispositivo quando si utilizzano queste tecniche. 4
Abbiamo sviluppato un copolimero zolfopuò essere usato sia come alta temperatura della sorgente del solvente e zolfo durante la sintesi del CdS nanoparticelle. 5 Questo copolimero è basato su un copolimero di rete sviluppato da Chung et al. che utilizza zolfo elementare e 1,3-diisopropenylbenzene (DIB). 6 Nella nostro caso, un monomero metilstirene è implementata anziché DIB. I limiti metilstirene monomeri reticolanti reazioni, che altrimenti produrrebbe un elevato molecolare copolimero rete peso. 5,6 La presenza di un solo gruppo funzionale vinilica monomero metilstirene promuove la formazione di radicali oligomerici volta riscaldata, che permette il copolimero zolfo operare come fonte solvente e zolfo liquido in parallelo durante la sintesi di nanoparticelle. 5 in particolare, il polimero zolfo viene prodotto riscaldando zolfo elementare a 150 ° C, che causa la S 8 anelli di transizione verso un zolfo liquido forma diradical linearmente strutturata. Avanti, metilstirene viene iniettato i nto lo zolfo liquido in un 1:50 molare di molecole metilstirene ad atomi di zolfo. 5 Il doppio legame metilstirene reagisce con le catene di zolfo per produrre il copolimero, come illustrato nella figura 1. 5 Il copolimero zolfo viene quindi raffreddata e il precursore di cadmio è aggiunto. Questa miscela viene poi riscaldata a 200 ° C, durante il quale il copolimero di zolfo si scioglie e processi nanoparticelle di nucleazione e crescita vengono avviati all'interno della soluzione 5 A 20:. 1 rapporto molare di zolfo al cadmio precursore viene utilizzato, in modo che solo alcune lo zolfo viene consumato durante la reazione. 5 Questo copolimero stabilizza le nanoparticelle sospendendole all'interno di una matrice polimerica solida dopo che la reazione è stata terminata. 5 il copolimero può essere rimosso dopo la sintesi, con conseguente produzione di CdS nanoparticelle che non hanno leganti organici di coordinamento, come illustrato nella figura 2. 5
ontent "> Il metodo sintetico presentata in questo lavoro è relativamente semplice in confronto con altri metodi presentati in letteratura. 1 -. 3,7 È applicabile per una vasta gamma di applicazioni in cui nanoparticelle tradizionali ligato hanno dimostrato problematico o indesiderabile Questa tecnica può porte aperte ad una maggiore prove di continuità, in cui un lotto di nanoparticelle può essere utilizzato per esaminare una gamma completa di funzionalizzazioni successive senza la necessità di complesse e lente ligando strippaggio o scambio procedure. 2,4,8,9 queste nanoparticelle unligated offrono anche opportunità per ridurre il numero di difetti di carbonio comunemente osservati in dispositivi nanoparticelle stampati, eliminando la fonte di carbonio 10 -. 16 questo protocollo dettagliato è inteso per aiutare altri implementano questo nuovo metodo e per aiutare a stimolare il suo uso attivo in una varietà di campi che troveranno è di particolare importanza.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…
Divulgations
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 |
References
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