Summary

Водный синтез наночастиц плазмонного золото-оловянного сплава

Published: March 15, 2024
doi:

Summary

Здесь описан синтез семян золота (Au) по методу Туркевича. Эти затравки затем используются для синтеза наночастиц золото-оловянного сплава (Au-Sn) с перестраиваемыми плазмонными свойствами.

Abstract

Этот протокол описывает синтез затравок наночастиц Au и последующее образование биметаллических наночастиц Au-Sn. Эти наночастицы имеют потенциальное применение в катализе, оптоэлектронике, визуализации и доставке лекарств. Ранее методы получения наночастиц сплавов были трудоемкими, требовали сложных условий реакции и могли давать противоречивые результаты. В изложенном протоколе сначала описывается синтез семян наночастиц Au с длиной волны около 13 нм по методу Туркевича. Далее в протоколе описывается восстановление Sn и его включение в затравки Au для получения наночастиц сплава Au-Sn. Описана оптическая и структурная характеристика этих наночастиц. Оптически заметные локализованные поверхностные плазмонные резонансы (LSPR) проявляются с помощью УФ-видимой спектроскопии. Структурно порошковая рентгеновская дифракция (XRD) отражает все частицы с длиной волны менее 20 нм и показывает закономерности для интерметаллических фаз Au, Sn и кратных Au-Sn. Сферическая морфология и распределение по размерам получены с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). ПЭМ показывает, что после включения Sn наночастицы вырастают примерно до 15 нм в диаметре.

Introduction

Плазмонные наночастицы металлов 1,2 находят применение в катализе, оптоэлектронике, сенсорике и устойчивости благодаря их способности поглощать свет с большой эффективностью, концентрировать свет в субнанометровых объемах и усиливать каталитические реакции 3,4,5. Лишь немногие металлы демонстрируют эффективные локализованные поверхностные плазмонные резонансы (LSPR). Среди них одним из широко изученных металлов является Au3.

Au является широко изученным благородным металлом, известным своим стабильным сплавообразованием с другими металлами. Тем не менее, Au LSPR ограничен видимым и инфракрасным диапазонами и не может быть настроен на более высокие энергии 6,7,8. Между тем, постпереходные металлы обладают множеством интересных реакционноспособных и каталитических свойств, отличных от благородных металлов 6,9,10. Легируя Au с постпереходными металлами, LSPR может быть настроен на более высокие энергии в направлении UV1. Этот протокол ориентирован на легирование Au-Sn. Известно, что Sn легко легируется со многими металлами, может иметь УФ-LSPR и имеет интересные каталитические применения, такие как образование муравьиной кислоты путем восстановления углекислого газа 6,7,8. Сплавы Au и Sn синтезировали с использованием затравочного процесса путем химического восстановления и диффузии Sn в семена.

Основная цель этого метода заключается в быстром (т.е. за несколько часов) синтезе сплавов наночастиц водных металлов с использованием водной химии. Первоначально семена Au получают по методу Туркевича11, после чего проводят диффузионный синтез на основе семян, что является общей стратегией при формировании наночастиц случайного сплава8. Следует отметить, что легирование Sn требует относительно короткого времени (~30 мин) в мягких условиях с простым оборудованием по сравнению с другими методами 7,8, которые требуют более высокой температуры, более высокого вакуума или опасных растворителей. Этот процесс может быть выполнен в мягких водных условиях без необходимости обременительного контроля окружающей среды. Полученные сплавы Au-Sn имеют постоянную морфологию, размер, форму и оптические свойства, которые можно контролировать, манипулируя содержанием Sn.

Protocol

Оборудование и реагенты, использованные в исследовании, перечислены в Таблице материалов. 1. Метод синтеза семян наночастиц Au с цитратной крышкой Чистка стеклянной посудыОчистите стеклянную посуду и перемешайте бары с помощью царской водки (?…

Representative Results

На рисунке 1 представлены репрезентативные результаты для семян Au и наночастиц сплава Au-Sn. В соответствии с протоколом синтеза семян Au наблюдается отчетливый асимметричный пик поглощения около 517 нм с максимумом экстинкции около 0,7, что соответствует LSPR. Пик синего смещ?…

Discussion

В данном исследовании семена Au получали по методу Туркевича11. В связи с процедурными ограничениями данного метода необходимо быстро выполнить инъекцию 100 мМ тринатрия цитрата в 480 мкл. Если раствор цитрата вводится медленно, могут образовываться полидисперсные частицы с б…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа связана с наградами Министерства военно-морского флота N00014-20-1-2858 и N00014-22-1-2654, выданными Управлением военно-морских исследований. Определение характеристик было частично поддержано программой Национального научного фонда по основным исследовательским приборам в рамках гранта 2216240. Эта работа также была частично поддержана Массачусетским университетом в Лоуэлле и Содружеством Массачусетса. Мы благодарны исследовательским центрам Массачусетского университета в Лоуэлле.

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