Водный синтез наночастиц плазмонного золото-оловянного сплава
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
Representative Results
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
- 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).
