Summary

Waterige synthese van plasmonische nanodeeltjes van goud-tinlegering

Published: March 15, 2024
doi:

Summary

Hier wordt de synthese van gouden (Au) zaden beschreven met behulp van de Turkevich-methode. Deze zaden worden vervolgens gebruikt om nanodeeltjes van een goudtinlegering (Au-Sn) met afstembare plasmonische eigenschappen te synthetiseren.

Abstract

Dit protocol beschrijft de synthese van Au-nanodeeltjeszaden en de daaropvolgende vorming van Au-Sn-bimetaaldeeltjes. Deze nanodeeltjes hebben potentiële toepassingen in katalyse, opto-elektronica, beeldvorming en medicijnafgifte. Eerder waren methoden voor het produceren van nanodeeltjes van legeringen tijdrovend, vereisten ze complexe reactieomstandigheden en konden ze inconsistente resultaten opleveren. Het geschetste protocol beschrijft eerst de synthese van ongeveer 13 nm Au nanodeeltjeszaden met behulp van de Turkevich-methode. Het protocol beschrijft vervolgens de reductie van Sn en de opname ervan in de Au-zaden om nanodeeltjes van Au-Sn-legering te genereren. De optische en structurele karakterisering van deze nanodeeltjes wordt beschreven. Optisch zijn prominente gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR’s) zichtbaar met behulp van UV-zichtbare spectroscopie. Structureel reflecteert poederröntgendiffractie (XRD) alle deeltjes tot minder dan 20 nm en vertoont patronen voor Au, Sn en meerdere Au-Sn-intermetallische fasen. Sferische morfologie en grootteverdeling worden verkregen uit beeldvorming met transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). TEM onthult dat de nanodeeltjes na de opname van SN groeien tot ongeveer 15 nm in diameter.

Introduction

Plasmonische metalen nanodeeltjes 1,2 hebben toepassingen in katalyse, opto-elektronica, detectie en duurzaamheid vanwege hun vermogen om licht met grote efficiëntie te absorberen, licht te concentreren in volumes van minder dan nanometer en katalytische reacties te verbeteren 3,4,5. Slechts enkele metalen vertonen efficiënte gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonanties (LSPR’s). Onder hen is een van de meest onderzochte metalen Au3.

Au is een uitgebreid bestudeerd edelmetaal dat bekend staat om zijn stabiele legeringsvorming met andere metalen. De Au LSPR is echter beperkt tot het zichtbare en infrarood en kan niet worden afgestemd op hogere energieën 6,7,8. Ondertussen hebben post-overgangsmetalen een verscheidenheid aan interessante reactieve en katalytische eigenschappen die zich onderscheiden van de edele metalen 6,9,10. Door Au te legeren met post-overgangsmetalen, kan de LSPR worden afgestemd op hogere energieën in de richting van de UV1. Dit protocol richt zich op Au-Sn-legering. Van Sn is bekend dat het gemakkelijk met veel metalen wordt gelegeerd, UV-LSPR’s kan hebben en interessante katalytische toepassingen heeft, zoals mierenzuurvorming via kooldioxidereductie 6,7,8. Au- en Sn-legeringen werden gesynthetiseerd met behulp van een gezaaid proces door chemische reductie en diffusie van Sn in de zaden.

Het primaire doel van deze methode is om waterige metalen nanodeeltjeslegeringen snel (d.w.z. in een paar uur) en reproduceerbaar op de werkplek te synthetiseren met behulp van waterige chemie. Aanvankelijk worden Au-zaden bereid met behulp van de Turkevich-methode11, gevolgd door op zaad gebaseerde diffusiesynthese, een gebruikelijke strategie bij het vormen van willekeurige legeringsnanodeeltjes8. Met name het legeren van Sn vereist een relatief korte tijd (~30 minuten) in een milde omgeving met eenvoudige apparatuur in vergelijking met andere methoden 7,8 die een hogere temperatuur, hogere vacuüminstrumentatie of gevaarlijke oplosmiddelen vereisen. Dit proces kan worden uitgevoerd in milde, waterige omstandigheden zonder dat er belastende milieucontroles nodig zijn. De resulterende Au-Sn-legeringen hebben een consistente morfologie, grootte, vorm en optische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd door het Sn-gehalte te manipuleren.

Protocol

De apparatuur en reagentia die in het onderzoek worden gebruikt, staan vermeld in de materiaaltabel. 1. Turkevich-synthesemethode van citraat-afgedekte Au-nanodeeltjeszaden Reiniging van het glaswerkReinig glaswerk en roerstaven met aqua regia (1:3 molverhouding van HNO3:HCl). Spoel af met ultrapuur water tot er geen geur meer is en droog voor gebruik. Bereiding van reagensoplossingenMeet 39…

Representative Results

Figuur 1 toont representatieve resultaten voor Au-zaden en nanodeeltjes van Au-Sn-legeringen. Volgens het syntheseprotocol voor Au-zaden wordt een duidelijke, asymmetrische absorptiepiek rond 517 nm met een extinctiemaximum van ongeveer 0,7 waargenomen, wat overeenkomt met de LSPR. Het piekblauw verschuift met de toevoeging van Sn, wat correleert met een schijnbare optische kleurverandering in het monster van bordeauxrood naar oranje naar bruinbruin. Verdere blauwverschuiving en verbreding v…

Discussion

In deze studie werden Au-zaden bereid met behulp van de Turkevich-methode11. Wat de procedurele beperkingen van deze methode betreft, is het noodzakelijk om de injectie van 480 μL van 100 mM trinatriumcitraat snel uit te voeren. Als de citraatoplossing langzaam wordt geïnjecteerd, kunnen zich polydisperse deeltjes vormen met een grote grootteverdeling. Bovendien kan de netheid van het glaswerk een aanzienlijke invloed hebben op de kwaliteit en consistentie van Au-zaden. Als glaswerk niet goed wo…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk heeft betrekking op de onderscheidingen van het Department of Navy N00014-20-1-2858 en N00014-22-1-2654 uitgegeven door het Office of Naval Research. De karakterisering werd gedeeltelijk ondersteund door het Major Research Instrumentation-programma van de National Science Foundation onder Grant 2216240. Dit werk werd ook gedeeltelijk ondersteund door de Universiteit van Massachusetts Lowell en het Gemenebest van Massachusetts. We zijn de UMass Lowell Core Research Facilities dankbaar.

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

References

  1. Fonseca Guzman, M. V., et al. Plasmon manipulation by post-transition metal alloying. Matter. 6 (3), 1-17 (2023).
  2. Branco, A. J., et al. Synthesis of gold-tin alloy nanoparticles with tunable plasmonic properties. STAR Protoc. 4 (3), 102410 (2023).
  3. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J Phys Chem B. 107 (3), 668-677 (2003).
  4. Linic, S., Christopher, P., Xin, H., Marimuthu, A. Catalytic and photocatalytic transformations on metal nanoparticles with targeted geometric and plasmonic properties. Acc Chem Res. 46 (8), 1890-1899 (2013).
  5. Naldoni, A., Shalaev, V. M., Brongersma, M. L. Applying plasmonics to a sustainable future. Science. 356 (6341), 908-909 (2017).
  6. King, M. E., Fonseca Guzman, M. V., Ross, M. B. Material strategies for function enhancement in plasmonic architectures. Nanoscale. 14 (3), 602-611 (2022).
  7. Zhou, M., Li, C., Fang, J. Noble-metal based random alloy and intermetallic nanocrystals: Syntheses and applications. Chem Rev. 121 (2), 736-795 (2020).
  8. Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and optical properties of hybrid and alloy plasmonic nanoparticles. Chem Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
  9. Leitao, E. M., Jurca, T., Manners, I. Catalysis in service of main group chemistry offers a versatile approach to p-block molecules and materials. Nat Chem. 5 (10), 817-829 (2013).
  10. Melen, R. L. Frontiers in molecular p-block chemistry: From structure to reactivity. Science. 363 (6426), 479-484 (2019).
  11. Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Farad Disc. 11, 55-75 (1951).

Play Video

Cite This Article
Cha, J. H., Silva, S. M., Branco, A. J., Ross, M. B. Aqueous Synthesis of Plasmonic Gold-Tin Alloy Nanoparticles. J. Vis. Exp. (205), e66628, doi:10.3791/66628 (2024).

View Video