Waterige synthese van plasmonische nanodeeltjes van goud-tinlegering
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
Representative Results
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
- Fonseca Guzman, M. V., et al. Plasmon manipulation by post-transition metal alloying. Matter. 6 (3), 1-17 (2023).
- Branco, A. J., et al. Synthesis of gold-tin alloy nanoparticles with tunable plasmonic properties. STAR Protoc. 4 (3), 102410 (2023).
- 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).
- 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).
- Naldoni, A., Shalaev, V. M., Brongersma, M. L. Applying plasmonics to a sustainable future. Science. 356 (6341), 908-909 (2017).
- King, M. E., Fonseca Guzman, M. V., Ross, M. B. Material strategies for function enhancement in plasmonic architectures. Nanoscale. 14 (3), 602-611 (2022).
- Zhou, M., Li, C., Fang, J. Noble-metal based random alloy and intermetallic nanocrystals: Syntheses and applications. Chem Rev. 121 (2), 736-795 (2020).
- Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and optical properties of hybrid and alloy plasmonic nanoparticles. Chem Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
- 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).
- Melen, R. L. Frontiers in molecular p-block chemistry: From structure to reactivity. Science. 363 (6426), 479-484 (2019).
- 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).
