Synthèse aqueuse de nanoparticules d’alliage d’or et d’étain plasmonique
Summary
Ici, la synthèse des graines d’or (Au) est décrite à l’aide de la méthode de Turkevich. Ces graines sont ensuite utilisées pour synthétiser des nanoparticules d’alliage d’or-étain (Au-Sn) aux propriétés plasmoniques accordables.
Abstract
Ce protocole décrit la synthèse de graines de nanoparticules d’Au et la formation ultérieure de nanoparticules bimétalliques Au-Sn. Ces nanoparticules ont des applications potentielles dans la catalyse, l’optoélectronique, l’imagerie et l’administration de médicaments. Auparavant, les méthodes de production de nanoparticules d’alliage prenaient beaucoup de temps, nécessitaient des conditions de réaction complexes et pouvaient avoir des résultats incohérents. Le protocole décrit décrit d’abord la synthèse d’environ 13 nm de graines de nanoparticules d’Au à l’aide de la méthode de Turkevich. Le protocole décrit ensuite la réduction du Sn et son incorporation dans les graines d’Au pour générer des nanoparticules d’alliage Au-Sn. La caractérisation optique et structurale de ces nanoparticules est décrite. D’un point de vue optique, des résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) proéminentes sont apparentes à l’aide de la spectroscopie UV-visible. D’un point de vue structurel, la diffraction des rayons X sur poudre (DRX) reflète toutes les particules comme étant inférieures à 20 nm et montre des modèles pour Au, Sn et plusieurs phases intermétalliques Au-Sn. La morphologie sphérique et la distribution granulométrique sont obtenues à partir de l’imagerie par microscopie électronique à transmission (MET). La MET révèle qu’après l’incorporation de Sn, les nanoparticules atteignent un diamètre d’environ 15 nm.
Introduction
Les nanoparticules métalliques plasmoniques 1,2 ont des applications en catalyse, en optoélectronique, en détection et en durabilité en raison de leur capacité à absorber la lumière avec une grande efficacité, à concentrer la lumière dans des volumes subnanométriques et à améliorer les réactions catalytiques 3,4,5. Seuls quelques métaux présentent des résonances plasmoniques de surface localisées (LSPR) efficaces. Parmi eux, l’un des métaux les plus explorés est l’orau3.
L’au est un métal noble largement étudié, connu pour sa formation stable d’alliages avec d’autres métaux. Cependant, l’Au LSPR est limité au visible et à l’infrarouge et ne peut pas être accordé aux énergies supérieures 6,7,8. Pendant ce temps, les métaux post-transition ont une variété de propriétés réactives et catalytiques intéressantes distinctes des métaux nobles 6,9,10. En alliant l’Au avec des métaux de post-transition, le LSPR peut être réglé vers des énergies plus élevées vers l’UV1. Ce protocole se concentre sur l’alliage Au-Sn. Le Sn est connu pour s’allier facilement avec de nombreux métaux, peut avoir des LSPR UV et a des applications catalytiques intéressantes, telles que la formation d’acide formique par réduction du dioxyde de carbone 6,7,8. Les alliages d’Au et de Sn ont été synthétisés à l’aide d’un procédé d’ensemencement par réduction chimique et diffusion du Sn dans les graines.
L’objectif principal de cette méthode est de synthétiser rapidement (c’est-à-dire en quelques heures) et de manière reproductible des alliages aqueux de nanoparticules métalliques sur paillasse à l’aide de la chimie aqueuse. Initialement, les graines d’Au sont préparées à l’aide de la méthode de Turkevich11, suivie d’une synthèse par diffusion à base de graines, une stratégie courante lors de la formation de nanoparticules d’alliage aléatoires8. Notamment, l’alliage de Sn nécessite un temps relativement court (~30 min) dans un environnement doux avec un équipement simple par rapport à d’autres méthodes 7,8 qui nécessitent une température plus élevée, une instrumentation sous vide plus élevée ou des solvants dangereux. Ce processus peut être effectué dans des conditions aqueuses douces sans qu’il soit nécessaire de recourir à des contrôles environnementaux fastidieux. Les alliages Au-Sn qui en résultent ont une morphologie, une taille, une forme et des propriétés optiques cohérentes qui peuvent être contrôlées en manipulant la teneur en Sn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dans cette étude, des graines d’or ont été préparées à l’aide de la méthode de Turkevich11. En ce qui concerne les limites procédurales de cette méthode, il est nécessaire d’effectuer rapidement l’injection de 480 μL de citrate trisodique de 100 mM. Si la solution de citrate est injectée lentement, des particules polydispersées peuvent se former avec une grande distribution de taille. De plus, la propreté de la verrerie peut avoir un impact significatif sur la qualité et la …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail se rapporte aux subventions N00014-20-1-2858 et N00014-22-1-2654 du ministère de la Marine délivrées par l’Office of Naval Research. La caractérisation a été soutenue en partie par le programme Major Research Instrumentation de la National Science Foundation dans le cadre de la subvention 2216240. Ce travail a également été partiellement soutenu par l’Université du Massachusetts Lowell et le Commonwealth du Massachusetts. Nous sommes reconnaissants envers les installations de recherche de UMass Lowell.
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
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- 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).
