Recente ontwikkelingen in synthetische methoden en toepassingen van zilveren nanostructuren

Synthetische methoden

Zilvernanodeeltjes werden gesynthetiseerd met verschillende methoden, zoals zaadgroeimethode [21] en stapsgewijze reductiemethode [22]. Elke methode heeft voordelen en beperkingen. Het ontwikkelen van een effectieve bereidingswijze is dus nog een uitdaging. Vanwege de unieke eigenschappen en brede toepassingen verdient de synthesemethode van zilveren nanodeeltjes het waard om geoptimaliseerd te worden. We hebben zes soorten bereidingsmethoden samengevat, waaronder nieuwe biosynthetische methoden in dit werk. We verwachten een beetje hulp voor de arbeiders die zich op dit gebied bezighouden.

Voorbereiding van verschillende soorten AgNP's

Onlangs waren onderzoekers gefocust op de vormcontrole van AgNP's vanwege hun morfologie-afhankelijke eigenschappen [23, 24]. Ondertussen, om hun huidige toepassingen uit te breiden, leidde de bereiding van zilveren nanodeeltjes met verschillende vormen (zoals koraalachtige vorm [25], kooi [26] en driehoekige nanokristallen [27]) tot een breed scala aan wetenschappelijk onderzoek. Het vormingsmechanisme en de verschillende bereidingsmethoden van zilveren nanodeeltjes werden lange tijd onderzocht.

Synthese van Ag-nanokubussen

Xia et al. [28,29,30] massaal bereide monodisperse monsters van zilveren nanoblokjes door zilvernitraat te reduceren met ethyleenglycol in aanwezigheid van polyvinylpyrrolidon (PVP). In het syntheseproces werd PVP gebruikt als beschermende middelen die de dispersieve zilveren nanodeeltjes kunnen stabiliseren en de agglomeratie kunnen voorkomen. Tegelijkertijd kan de hoeveelheid PVP-toevoeging ook de morfologie van AgNP's beïnvloeden. Daarom is het essentieel om PVP te gebruiken tijdens de synthese. Het is algemeen bekend dat verwarming meer reactie-energie kan verschaffen, hetgeen gunstig is voor het verhogen van de reduceerbaarheid van ethyleenglycol. In aanwezigheid van hydroxylionen, Ag ⁺ werd gereduceerd tot zilveren nanokubussen. Het voordeel van dit onderzoek is dat het kan worden gebruikt om homogene monokristallijne nanokubussen te maken. Op nanometerschaal hebben metalen, waarvan de meeste face-centered cubic (fcc) zijn, de neiging om te kiemen en uit te groeien tot tweeling- en meervoudig getwijnde deeltjes (MTP's) omdat hun oppervlakken worden begrensd door de facetten met de laagste energie op de nanometerschaal [31] . Bovendien is deze structuur gunstig om te worden toegepast op het gebied van fotonica, katalyse en op SERS gebaseerde detectie. De afbeelding (Fig. 1) toont de SEM-, TEM- en XRD-afbeeldingen van zilveren nanokubussen. Deze zilveren nanokubussen hadden een gemiddelde randlengte van 175 nm, met een standaarddeviatie van 13 nm. Hun oppervlakken waren glad en alle hoeken en randen van deze deeltjes waren enigszins afgeknot. Deze structuur kan worden gebruikt voor medicijnafgiftesystemen door medicijn in de afgeknotte hoeken te injecteren.

een Laag- en b SEM-afbeeldingen met hoge vergroting van licht afgeknotte zilveren nanokubussen. c Een TEM-afbeelding van dezelfde partij zilveren nanokubussen. d Een XRD-patroon van dezelfde partij monster, wat de vorming van puur fcc-zilver bevestigt [28]

Een nieuw zilvernanodeeltje werd gepubliceerd door Yam et al. [32] die Cetyltrimethyl Ammonium Bromide (CTAB) als oppervlakteactieve stof in waterige oplossing gebruikte. Het broomion kan reageren met het zilverammoniakcomplex ([Ag (NH₃ ) ₂ ] ⁺ ) om AgBr-precipitatie te produceren, en zilverionen zullen langzaam vrijkomen in de daaropvolgende reactie. Tegelijkertijd werden de resterende zilverionen gereduceerd door glucose, en een grootte van ~ -55 nm nanozilverkubus werd gevormd met de gecoate oppervlakteactieve stof. De oppervlakteactieve stof CTAB kan worden geadsorbeerd op het oppervlak van AgNP's door fysieke adsorptie. Hierdoor kan de agglomeratie en schaalgroei van AgNP's effectief worden gecontroleerd door remming. Vanwege het bestaan ​​van CTAB is het mogelijk om AgNP's te verkrijgen met uniforme dispersie en geschikte grootte.

Het duurt lang om nanozilverblokjes te maken, zoals gerapporteerd door de methode van Xia en Yam Synthetic. Maar zilveren nanodeeltjes kunnen snel worden geproduceerd door de microgolfmethode. Saraf et al. [33] bereidde zilveren nanokubussen door een grote hoeveelheid goudzaad te gebruiken in de aanwezigheid van polyelektrolyt en microgolfverwarming gedurende 60-120 s. Het experiment geeft aan dat de polyelektrolyt de groei van het deeltje in een gespecificeerde kristallografische richting leidt, wat resulteert in het gefacetteerde deeltje, d.w.z. een nanokubus. Op dit moment is de bereiding van zilveren nanodeeltjes met de polyolmethode volwassener.

Synthese van Ag-nanodraden en nanostaafjes

Murphy et al. [34] meldde dat nanostaafjes en nanodraden met succes kunnen worden bereid door ascorbinezuur te gebruiken om AgNO₃ te verminderen in aanwezigheid van Ag-zaad, het micellaire sjabloon CTAB en NaOH. De gemiddelde diameter van Ag-zaden is 4 nm. In dit werk, de concentratie van zaad en base relatieve concentratie van Ag ⁺ spelen een sleutelrol bij het maken van nanomaterialen met een grotere aspectverhouding. CTAB is ook nodig voor het maken van een hoge opbrengst aan staven. De afbeelding van TEM (Fig. 2) toont de vorm van nanostaafjes en nanodraden.

een Vormgescheiden zilveren nanostaafjes uit een preparaat met 0,06 ml zaad. b Vormgescheiden zilveren nanodraden [34]

Zilveren nanostaafjes werden bereid door Lee et al. [35]. Bij de zaadgemedieerde groeimethode worden eerst kleine metaaldeeltjes bereid en later gebruikt als zaden voor de bereiding van nanostaafjes. De zilverzaden werden bereid door reductie van zilverionen met natriumboorhydride in aanwezigheid van natriumcitraatdihydraat als stabilisator. Deze zilverzaden werden toegevoegd aan de oplossing die meer zilverzout, een ascorbinezuur (zwak reductiemiddel) en een CTAB bevatte. In deze studie regelden de reactietemperatuur en pH de aspectverhouding en uniformiteit van de resulterende staven. Toename van de reactietemperatuur leidde tot een verminderde aspectverhouding van zilveren nanostaafjes en een grotere afmeting van de monodisperse deeltjes. Ook de verhoging van de pH vertoonde vergelijkbare resultaten. Wanneer de reactietemperatuur en pH werden verhoogd, werd de reductiesnelheid van zilver verder verhoogd. In experiment werden zilveren nanostaafjes met een hoge aspectverhouding en monodispersiteit gesynthetiseerd onder de conditie van 30 ° C en pH 10,56. Zilveren nanostaafjes werden gesynthetiseerd door elektrochemische methoden uit een waterige oplossing van AgNO₃ in aanwezigheid van polyethyleenglycol (PEG) door Zhu et al. [36]. Er werd gevonden dat de concentratie van AgNO₃ en PEG beïnvloedden de vorming van de nanostaafjes.

Murphy et al. leverde een betere methode voor het maken van zilveren nanodraden, maar de synthetische manier van Sun [37, 38] is verfijnder. Ze synthetiseerden zilveren nanodraden door AgNO₃ . te reduceren met ethyleenglycol in aanwezigheid van zaden en PVP. Het reactiemechanisme is als volgt:

Vervolgens AgNO₃ en PVP werden guttatim toegevoegd aan het reactiesysteem, waardoor de kiemvorming en groei van zilver mogelijk werd en een uniforme vorm en grootte van nanodraden werd gevormd. Op deze manier werden zilveren nanodraden met een diameter van 30-40 nm en lengtes tot ∼ 50 m geproduceerd. De effecten van verschillende reactieomstandigheden (temperatuur, reactietijd en zaaiomstandigheden) op de morfologie en grootte werden in deze review besproken. Figuur 3 toont de vormen en afmetingen van de gezuiverde nanodraden.

een UV-zichtbare extinctiespectra van het eindproduct voor en na 3 cycli van centrifugeren en scheiden. b SEM en c TEM-beelden van een gezuiverd staal van zilveren nanodraden [37]

In het UV-vis-spectrum (Fig. 3a) is te zien dat zilveren nanodraden na zuivering een duidelijke blauwe verschuiving in UV-vis-absorptie vertonen in vergelijking met het oorspronkelijke monster. De UV-vis absorptiepiek verschijnt bij 380 nm. Figuur 3c laat zien dat de breedte van deze nanodraden 40 nm is. De nanodraden met dezelfde breedte kunnen worden verkregen, wat het beste voordeel van dit werk is. Deze nanodraden kunnen worden gebruikt om geleidende films [39] en efficiënte organische zonnecellen [40] te maken, enz.

Door verder te bestuderen hoe PVP reageerde met zilveren nanodraden, Xie et al. [41,42,43] concludeerde dat de PVP-monolaag reageert met Ag-nanodraden via Ag-O-bindingen. Op basis hiervan hebben Xie et al. [44, 45] observeerden het bestaan ​​van meerdere tweelingen in experimenten die aantoonden dat Xia op meervoudige twinning een van de belangrijkste factoren is bij de vorming van Ag-nanodraden. Het beheersen van de initiële hoeveelheid zilvernitraat of het verminderen van de initiële reductiesnelheid van zilvernitraat is bevorderlijk voor de vorming van zilveren nanodraden in de oplossing [46, 47]. De specifieke methode die ze gebruikten, is om de reactie van het metaalzout en zilvernitraat te beheersen door chloorionen aan de reactieoplossing toe te voegen of de afgiftesnelheid van zilverionen te verminderen.

Tang et al. [48] ​​synthetiseerde op grootte gecontroleerde zilveren nanodraden door roestvrijstalen gaas toe te voegen aan het systeem dat een hogere ionenconcentratie heeft. Het is voornamelijk dat het roestvrijstalen gaas kan reageren met salpeterzuur, wat nuttig kan zijn om de corrosie van de meervoudige kristalkorrels te voorkomen. In aanwezigheid van chloride-ionen maakten ze uniforme zilveren nanodraden met behulp van de hydrothermische methode, de microgolfmethode en andere experimentele methoden [49, 50]. Zilversulfide nanodeeltje is een nieuw type halfgeleider die gemakkelijk kan worden gesynthetiseerd door de reactie van zwavelionen met zilverionen. Zilversulfide nanodeeltjes kunnen elektronen leveren en zilverionen adsorberen op het oppervlak ervan en fungeren als een kern en reductiemiddel. Tegelijkertijd kunnen er ook zilveratomen worden afgezet op het oppervlak van Ag₂ S om Ag₂ . te vormen S@Ag-zaden en spelen een rol bij zelfkatalytische reductie, wat bevorderlijk is voor de vorming van zilveren nanodraden [51].

Synthese van Ag-nanosferen

Quasi-sferische zilveren nanodeeltjes, die gewoonlijk worden gesynthetiseerd door chemische reductiemethode, worden door veel werken gerapporteerd omdat zilveratomen gemakkelijk de neiging hebben om een ​​bolvormige structuur te vormen tijdens het syntheseproces van zilveren nanodeeltjes. In het chemische reductieproces omvatten algemeen gebruikte reductiemiddelen natriumboorhydride [52], natriumcitraat [53], hydrazinehydraat [54], ascorbinezuur [55] en waterstof [56]. Van alle onderzoeksteams is het team van Xia het meest gedetailleerde en uitgebreide in het bestuderen. Om de hoge kwaliteit van enkelkristal Ag-nanobolletjes [57] te verkrijgen, gebruiken ze een nieuwe methode op basis van nat etsen die verschilt van chemische reductie. Door de suspensie van uniforme Ag-nanoblokjes snel te mengen met een kleine hoeveelheid ijzer(III)nitraat of op ferricyanide gebaseerde etsoplossing, kunnen ze ofwel de scherpe hoeken en randen afkappen om ronde nanokubussen te vormen of nanobolletjes verkrijgen zonder scherpe kenmerken die dezelfde diameter hebben als het origineel kubussen. Omdat eerdere synthetische methoden niet in staat zijn om uniforme bollen groter dan -35 nm te bereiden. Deze methode zou met name kunnen worden gebruikt om uniforme Ag-nanobolletjes met een breed scala aan maten te produceren en nieuwe mogelijkheden te openen voor fundamentele studies over SERS. In dit werk kunnen de Ag-bollen worden bereid met de kleinste grootte van 25 nm en de grootste grootte van 142 nm. Figuur 4 laat zien dat de zilveren nanokubussen in quasi-nanobolletjes zijn geëtst.

TEM-afbeeldingen (a–c ) van 42 nm Ag-kubussen afgedekt met PVP wanneer geëtst met verschillende volumes van 0,5 mM ijzernitraat. een 0 L. b 10 L. c 100 L. d Grootteverdelingen berekend op basis van 100 deeltjes in delen a en c [57]

AgNP's die met deze methode zijn bereid, hebben de normale vorm en uniforme grootte. Deze zilveren nanobolletjes met een regelmatige vorm en uniforme grootte kunnen worden gebruikt om een ​​uniforme gouden nanokooi te maken die kan worden gebruikt voor biologische gerichte medicijnafgifte [58].

Liang et al. [59] rapporteerde een nieuwe techniek voor het vervaardigen van monodisperse zilveren nanodeeltjes. Het PEG wordt zowel als oplosmiddel als als reductiemiddel gebruikt en het PVP wordt gebruikt als afdekmiddel voor de synthese van monodisperse zilvernanodeeltjes. Om uniforme nanobolletjes met een gemiddelde diameter van 54 nm te verkrijgen, gebruikte Liang de PVP/AgNO₃ molair in een verhouding van 8 bij 260 °C. Afbeelding 5 toont de TEM-, HRTEM- en XRD-afbeeldingen van zilveren nanobolletjes.

een TEM en b HRTEM-beelden van de zilveren nanobolletjes bereid bij 260 °C gedurende 24 uur met een molaire verhouding van PVP tot AgNO₃ van 8, en het SAED-patroon (inzet) van een individuele zilveren nanosfeer met een diameter van ongeveer 50 nm. c Poeder XRD-patroon genomen uit dezelfde batch monster [59]

Uit het TEM-beeld blijkt dat de grootte van Ag-nanosferen uniform is. Bovendien is de synthesemethode eenvoudig en kan deze worden toegepast op massaproductie. Natuurlijk zijn er veel andere artikelen over de studie van bolvormig nanozilver die ook de moeite waard zijn om te leren. Maar in dit werk zullen we ze niet herhalen. In de volgende sectie zullen we drie soorten bereidingsmethoden beschrijven waarmee zilveren nanodeeltjes van verschillende groottes worden vervaardigd. We verwachten een beetje hulp te bieden aan de werknemers die zich bezighouden met het bestuderen van het effect van grootte en prestatie.

Voorbereiding van AgNP's van verschillende groottes

Het wordt algemeen erkend dat zilveren nanodeeltjes met verschillende afmetingen een significante invloed hebben op de prestaties van materialen. Desalniettemin vinden we dat maar weinig artikelen systematisch de bereidingsmethoden van zilveren nanodeeltjes met verschillende groottes beschrijven. Daarom hebben we in het volgende gedeelte enkele synthetische methoden geïntroduceerd in de hoop dat het iemand kan helpen die een definitieve maat wil krijgen.

Vervaardiging van 1–10 nm AgNP's

Zilvernanodeeltjes van kleine afmetingen werden over het algemeen geproduceerd via het snelle reductieproces waarbij natriumboorhydride als reductiemiddel werd gebruikt, en de grootte en vorm van de geproduceerde deeltjes waren niet uniform. Shechar et al. [60] bereidde 5-10 nm zilveren nanodeeltjes door verschillende hoeveelheden natriumboorhydride en natriumcitraat te mengen die als reductiemiddel worden gebruikt (met natriumboorhydride om bij voorkeur snelle kiemvorming te verminderen en natriumcitraatreductie opnieuw om gestage groei te behouden). Met deze methode werden de uniforme grootte en vorm van AgNP's verkregen. De volgende tabel 1 toont de ontworpen voorwaarden voor de synthese van zilveren nanodeeltjes van verschillende grootte.

Lin et al. [61] bereidde in 2003 7-10 nm zilverdeeltjes met een uniforme vorm en grootte. Er werd een eenvoudige synthetische methode beschreven die de voorkeur gaf aan het direct bereiden van nauw gedispergeerde zilveren nanodeeltjes in plaats van het gebruik van grootteselectieprocessen door thermische reductie van zilvertrifluoracetaat in isoamylether in aanwezigheid van oliezuur. Deze directe synthese is synthetisch gemakkelijk te controleren en in staat om AgNP's te verkrijgen met diameters in het bereik van 7-10 nm en een smalle grootteverdeling. In plaats van de traditionele benadering te gebruiken waarbij de voorloper van zilverzouten en reductiemiddel in een oplosmiddel wordt gebruikt, werd in het experiment een voorloper uit één bron in een organisch oplosmiddel gebruikt. Om deze reden kozen ze zilvertrifluoracetaat als voorloper uit één bron omdat het gemakkelijk verkrijgbaar is en bij verschillende temperaturen thermisch kan worden gereduceerd tot zilvermetaal. Ten slotte transformeerden ze de diameter van AgNP's door de molaire verhouding van het oliezuur tot zilvertrifluoracetaat aan te passen. De volgende figuur 6 toont de helderveld-TEM-beelden en de overeenkomstige deeltjesgrootteverdelingsanalyse van AgNP's die werden verkregen bij een molaire verhouding oliezuur/zilvertrifluoracetaat van 10:1 voor een duur van (A, B) 30, (C, D ) 90 en (E, F) 150 min.

Helderveld TEM-beelden en de bijbehorende analyses van de deeltjesgrootteverdeling van AgNP's verkregen bij een molaire verhouding oliezuur/zilvertrifluoracetaat van 10:1 voor een duur van (a , b ) 30, (c , d ) 90, en (e , v ) 150 min [61]

Een eenvoudige manier om monodisperse zilveren nanodeeltjes met een diameter van minder dan 10 nm in hoge concentratie te synthetiseren, werd gevonden door Yang et al. [62]. Ze pionierden met een methode waarbij aniline werd gebruikt als reductiemiddel en dodecylbenzeensulfonzuur (DBSA) als stabilisator. Na toevoeging van overmaat NaOH aan de DBSA aniline AgNO₃ systeem was de vorming van zilveren nanodeeltjes bijna voltooid in slechts 2 minuten bij 90 ° C (met 94% opbrengst). Bovendien is de gemiddelde grootte van die resulterende zilveren nanodeeltjes 8,9 ± 1,1 nm en kan het colloïde meer dan 1 jaar bij omgevingstemperatuur worden bewaard. De figuur 7 is de TEM-, DLS- en XRD-afbeeldingen van AgNP's.

een , b TEM-beelden bij twee vergrotingen van zilveren nanodeeltjes verzameld uit het reactiesysteem na toevoeging van NaOH bij 90 ° C gedurende 1 uur. c Overeenkomstig histogram van de grootteverdeling van zilveren nanodeeltjes. d XRD-patroon van zilveren nanodeeltjes [62]

De hierboven beschreven methoden voor het synthetiseren van kleine zilveren nanodeeltjes zijn allemaal in het vloeistoffasesysteem. Zheng et al. [63] synthetiseerde zilveren nanodeeltjes met een diameter van 2-4 nm in het vastefasesysteem. Ze synthetiseerden luminescente en Raman actieve zilveren nanodeeltjes door gebruik te maken van de thermische reductiemethode. Figuur 8 toont de grootteverdeling, structuur en luminescentie-emissie van 3 nm zilveren nanodeeltjes die worden gecreëerd door thermolyse in vaste fase.

Grootteverdeling, structuur en luminescentie-emissie van de 3 nm zilveren nanodeeltjes die zijn gemaakt met behulp van thermolyse in vaste fase. een TEM-afbeelding met lage resolutie van deze nanodeeltjes. b Grootteverdeling van de nanodeeltjes bepaald uit TEM. c TEM-afbeelding met hoge resolutie van zo'n kleine zilveren nanodeeltjes toont een zeer multi-domeinstructuur. d Luminescentiebeeld van deze kleine zilveren nanodeeltjes genomen onder 488 nm laserexcitatie bij ~ 10 W/cm ² [63]

Vervaardiging van 10-100 nm AgNP's

Door bestraling met 6 MeV-elektronen werden AgNP's met een diameter van 10-60 nm gesynthetiseerd door Bogle et al. [64] in het mengsel van zilvernitraat en PVP. Deze methode heeft veel voordelen, zoals efficiëntie van de bereiding, hoge productiviteit en weinig bijproducten. Abid et al. [65] bereidde zilveren nanodeeltjes met behulp van laserbestraling vergelijkbaar met het bovenstaande werk. Het verschil is dat ze natriumdodecylsulfaat (SDS) als afdekmiddel gebruikten om te mengen met zilvernitraat en zilvernanodeeltjes met een grootte van 13-16 nm kunnen worden bereid. De deeltjesgrootte wordt geregeld door de laserintensiteit en de initiële concentratie van SDS-surfactant. Met behulp van ascorbinezuurreductie werden sferische zilverdeeltjes met een grootte van 30-72 nm gesynthetiseerd door Qin et al. [66]. Ondertussen nam de grootte van zilveren nanodeeltjes af naarmate de pH van het reactiesysteem toenam van 6,0 tot 10,5. Ajitha et al. [67] maakte gebruik van chemische reductie door de PH aan te passen om 14-31 nm AgNP's te verkrijgen. Ze gebruikten ethanol als oplosmiddel, natriumboorhydride als reductiemiddel en polyvinylalcohol (PVA) als afdekmiddel. Figuur 9 toont het vormingsmechanisme van deze zilveren nanodeeltjes.

Schematische weergave van op grootte gecontroleerde AgNP's-synthese met behulp van de chemische reductiemethode [67]

Evenzo werden Ag-deeltjes met een diameter van 15-21 nm gesynthetiseerd door Silvert, P. Y. et al. [68] die een ethyleenglycol-PVP-oplossing gebruikte om zilvernitraat onder specifieke temperatuuromstandigheden te verminderen. De uniforme quasi-nanosferen werden met deze methode gesynthetiseerd. Om de oplosbaarheid van zilveren nanodeeltjes met verschillende groottes te detecteren, werden 10-80 nm Ag-deeltjes bereid door Rui Ma et al. [69]. Ze bereidden dispersief colloïdaal zilver volgens het polyolproces, een volwassen bereidingsmethode [70]. Hun bereidingsmethoden zijn gebaseerd op Silvert, P. Y, door het type beschermingsmiddel te veranderen. Onlangs is het onderzoek naar groene synthese erg vurig en gebruiken onderzoekers meestal Ag ⁺ voor het verminderen van aminozuren of peeling. om zilveren nanodeeltjes te synthetiseren. Omdat een milieuvriendelijke synthetische methode het probleem van de productie van giftige stoffen in fysische en chemische bereidingsmethoden kan overwinnen. Onder hen Maddinedi et al. [71] gebruikte tyrosine als reductie- en afdekmiddel om 13-33 nm zilverdeeltjes te bereiden door de PH aan te passen van 12 tot 10. Mandal et al. [72] behaalde dezelfde resultaten. Ze gebruikten het bladextract van Cinnamomum tsoi als reducerende en afdekkende middelen om 11-31 nm zilverdeeltjes te bereiden door het interne volume van bladextract van Cinnamomum tsoi aan te passen. Afbeelding 10 toont de TEM- en SAED-patronen van AgNP's.

TEM-beelden en SAED-patronen van colloïden het volume bladextract 4 ml (Ct4) (a –c ), Ct3 (d –f ), en Ct1 (g –ik ) nanodeeltjes [72]

Figuur 11 toont de dynamische lichtverstrooiing (DLS) van AgNP's waarbij het volume bladextract werd gevarieerd als 1, 3 en 4 ml.

Gemiddelde deeltjesgrootte verkregen voor AgNP's Ct1 (a ), Ct3 (b ), en Ct4 (c ) [72]

Natuurlijk zijn er veel andere methoden om zilverdeeltjes van 1-100 nm te bereiden. De bovenstaande papieren zijn slechts typisch. We doen dit werk omdat we iemand hopen te helpen die een bepaalde grootte wil synthetiseren. Kortom, de bereiding van zilveren nanodeeltjes moet worden geleid naar een vriendelijke synthese en een beheersbare grootte.

Bereiding van AgNP's met biosynthetische methoden

De biosynthese van metallische nanodeeltjes met behulp van biologische systemen is geëvolueerd tot een belangrijk gebied van nanobiotechnologie. Biosynthetische methoden zijn betere kandidaten voor het bereiden van AsNP's omdat milieuvriendelijke technieken worden toegepast in hun fabricageproces en de producten geschikt zijn voor biotoepassingen. Hierin hebben biosynthetische methoden perspectief voor ontwikkeling en onderzoek. We hebben dus een gedetailleerde bespreking van enkele synthetische gevallen. In 1999 hebben Klaus et al. [73] gebruikte eerst Pseudomonas stutzeri om zilveren nanokristallen te synthetiseren met een grootte van 200 nm. Vervolgens is het gebruik van andere stammen om zilveren nanodeeltjes te bereiden sterk ontwikkeld, zoals de aspergillus flavus en trichoderma. En Kazemi et al. [74] heeft met succes Ag-nanodeeltjes gesynthetiseerd door gebruik te maken van Geotricum sp. Geoticum sp. werd gedurende 96 uur gekweekt in Sabro Dextrose Agar (SDA) medium bij 25 ±  1 ° C. De mycelia wordt gebruikt om zilvernitraatoplossing om te zetten in nanozilver. Zilvernanodeeltjes werden extracellulair gesynthetiseerd met behulp van deze schimmels (Geotricum sp.). Deze efficiënte, milieuvriendelijke en eenvoudige synthetische methode kan worden gebruikt om Ag-nanodeeltjes van 30-50 nm te synthetiseren. Door het gebruik van de kamertemperatuur en de afwezigheid van schadelijke reductiemiddelen, kunnen we deze methode als milieuvriendelijk en goedkoop beschouwen. Onlangs hebben laryssa et al. [75] bereidde zilveren nanodeeltjes door gebruik te maken van het celvrije filtraat van nematofage schimmel Duddingtonia flagrans. In deze studie rapporteerden ze een eenvoudig biologisch proces voor de synthese van AgNP's met behulp van de nematofage schimmel D. flagrans. Vergeleken met biosynthese, wat een goedkoop, milieuvriendelijk en hoogrenderend proces is, is extracellulaire synthese, die geen extra behandeling nodig heeft om deeltjes van levende cellen te scheiden, een eenvoudiger proces. Gebiosynthetiseerde en gefunctionaliseerde AgNP's hebben een goede stabiliteit en een hoge opbrengst, en de uitstekende eigenschappen van antibacterieel, antischimmel, antiviraal en antikanker zorgen ervoor dat ze een veelbelovende toekomst hebben in de therapeutische toepassingen, wat nieuwe experimentele ontwerpen voor het gebruik van de schimmel D. flagrans versterkt.

Het is duidelijk dat het type biologisch micro-organisme de nieuwste onderzoeksrichting zal zijn in nanozilveronderzoek.

Eigenschappen en toepassingen van AgNP's

Eigenschappen en toepassingen van AgNP's op antibacterieel

In de afgelopen jaren wekten de antibacteriële eigenschappen van Ag-nanomaterialen geleidelijk de bezorgdheid van mensen en werden veel antibacteriële toepassingen gemeld [76, 77]. De antibacteriële AgNP's met verschillende vormen zijn onderzocht door Helmlinger et al. [78]. By studying the cytotoxicity and antibacterial effect of four types silver nanometals, it can be seen that silver nanoparticles with different shapes own equal cytotoxicity, but it has different antibacterial effect. Meanwhile, particles with a higher specific surface area are more toxic for bacteria than particles with smaller specific surface areas. The dissolution kinetics is correlated to the estimated specific surface area of the particles where particles with a higher specific surface area dissolve faster than particles with a smaller one. The difference in the dissolution rate may be exploited to synthesize silver nanoparticles with a relative higher antibacterial effect and a lower cytotoxic effect towards tissue. However, Helmlinger et al. did not give a further detail study on the antibacterial effect of different sizes of AgNPs.

The antibacterial properties of silver particles with different sizes were studied by Agnihotri et al. [60]. It can be seen that 5 nm nanoparticles have the best antibacterial properties. It was found that the smaller particles exhibited the better antibacterial properties. The Fig. 12 shows the antibacterial properties of the different-sized silver nanoparticles.

Disk diffusion tests for different-sized silver nanoparticles against the E. coli MTCC 443 strain. The zone of inhibition is highlighted with a dashed circle indicating a noticeable antibacterial effect [60]

Silver extends its antibacterial properties by combining with other materials. Research about combining with other materials included SiO₂ @Ag [79], PLLA microcapsules combined with silver nanoparticles [80], electrodeposited chrome/silver nanoparticles (Cr/AgNPs) [81], graphene quantum dot/silver nanoparticles [82], Ag-decorated polymeric micelles with curcumin [83] and so on.

All the above studies are about the antibacterial properties of AgNPs. Next, we introduced the silver nanoparticles for antimicrobial application. It was found that the silver nanoparticles can be directly utilized as antibacterial agents which have been also testified by Kujda et al. [84]. It is shown that silver particles attach to the bacteria surface inducing disintegration, which enables their penetration inside the bacteria. In the future, the antibacterial properties of silver nanoparticles should be applied in industry by combining with other materials. For example, Meng et al. [85] made silver nanoparticles adhered to multilayered film-coated silk fibers with the aim to get antibacterial application. The as-prepared silk could effectively kill the existing bacteria and inhibit the bacterial growth, demonstrating the antimicrobial activity. Moreover, the release of Ag ⁺ for the modified silk can last for 120 h, rendering the modified silk sustainable antimicrobial activity. This work may provide a novel method to prepare AgNPs-functionalized antimicrobial silk for potential applications in textile industry. Figure 13 shows the surface morphologies of pristine silk fiber and coated morphologies of silk. By the EDS analysis, we can make sure that nanosilver was coated with silk.

Surface morphologies of pristine silk fiber (a ), (PAA/PDDA)8 film-coated silk fiber (b ), and AgNPs-(PAA/PDDA)8 film-coated silk fiber (c ). Inset:SEM image with higher magnification. (d ) EDS spectrum of AgNPs-(PAA/PDDA)8 film-coated silk. The arrow indicates the point randomly selected for the EDS analysis [85]

Other people like Zulfiqar Ali Raza et al. [86] investigated single-bath fabrication and impregnation of silver nanoparticles on enzymatic pretreated cotton fabric by using starch both as reducing as well as stabilizing agent under the autoclave conditions of 103.42 kPa, 121 °C for 15 min. The silver nanoparticles impregnated cotton fabrics showed good durable antibacterial activity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus strains. Figure 14 shows the formation mechanism of impregnation of silver nanoparticles on cotton fabric.

Schematic diagram of impregnation of silver nanoparticles on cotton fabric [86]

Recently, silver nanoparticles were coated with zirconia by Yamada et al. [87] for antibacterial prosthesis. In view of the pronounced antimicrobial properties and small toxicity of AgNPs, the biocompatible AgNPs-coated yttria-stabilized zirconia can be potentially utilized to control dental caries and periodontal disease. Maybe the inspiration about wound repair will be obtained by this study. The excellent antibacterial properties of silver nanoparticles can be revealed by the above studies. Moreover, this work will help someone who wants to do further research on antibacterial.

Properties and Applications of AgNPs on Fluorescence

Because nanomaterials with fluorescent property have a great application prospect. Many efforts have been devoted to study the fluorescent property [88, 89]. Research on fluorescent nanoparticles mainly concentrates on semiconductor particles, which are usually referred to as quantum dots. Among these, CdSe particles and ZnS particles have stronger fluorescent intensity. In spite of their broaden applications, quantum dots frequently still have some problems which are related to the intrinsic blinking of their luminescence and to toxicity issues that limit their applications in the health sciences [90]. Silver is expected to have lower toxicity and can be readily prepared reproducibly and with excellent solution stability. At the same time, Ag is readily detectable in the visible spectral region [91]. Because silver has the abovementioned advantages, the preparation of highly fluorescent silver nanoparticles is needed. Highly fluorescent silver nanoparticles were prepared by Maretti et al. [92] with a facile photochemical method, which can yield these materials with excellent long-term stability in just a few minutes. The method is used photogenerated ketyl radicals which can reduce Ag ⁺ from silver trifluoroacetate in the presence of amines. The conclusion they obtained is that the luminescence arises from particle-supported small metal clusters (predominantly Ag₂ ). Typically, silver nanoparticles show a distinct plasma band which has been between 390 and 420 nm in their past work. Due to the presence of small silver clusters, the study of the absorption band obtained was closer to 450 nm. Figure 15 shows the UV-vis absorption spectra of silver nanoparticles. Figure 16 shows the absorption (red), emission (green), and excitation (blue) spectra of Ag particles after 4 min of irradiation in tetrahydrofuran (THF) under the conditions of Fig. 15 and resuspension in toluene. From Fig. 16, we can draw the conclusion that the silver nanoparticles can emit green light. This property can be used for fluorescence diagnosis in biomedical field [93].

UV-vis absorption spectra following irradiation (350 nm, four lamps) of a toluene solution containing 2 mM silver trifluoroacetate, 2 mM I-2959, 2 mM cyclohexylamine. Reaction performed and monitored directly in a 0.7 × 0.3 cm quartz cuvette [92]

Absorption (red), emission (green), and excitation (blue) spectra of Ag particles after 4 min of irradiation in THF under the conditions of Fig. 15 and resuspension in toluene [92]

In order to distinguish these ultra-small particles, these nanoparticles which are smaller than 2 nm are usually called nanoclusters. In this size regime, metal nanoclusters become molecular species and size-dependent strong fluorescent emission can often be observed upon photoexcitation in the UV-visible range [94]. In particular, Ag nanoclusters, which show higher fluorescent intensity than Au nanoclusters in solutions, received considerable attention in the past few years owing to their great promise in a wide range of applications [95]. Fluorescent Ag nanoclusters were found to have wide applications in bio-imaging [96], chemical sensing [97, 98], fluorescence labeling [99], and single-molecule microscopy [100].

Properties and Applications of AgNPs on Catalysis

Since the addition of silver nanoparticles into reaction, the catalytic performance of the reaction has been significantly improved. Thus, nanocatalysis of silver nanoparticles has been a rapid growing research area which involves the use of nanoparticles as catalysts. As we all know, metals such as Ag, Au, Pt, and other metal ions can catalyze the decomposition of H₂ O₂ to oxygen [101]. Guo et al. found that when the AgNP colloid was added into the solution of luminol-H₂ O₂ , the chemiluminescence (CL) emission from the luminol–H₂ O₂ system could be greatly enhanced. AgNPs exhibited a better catalytic performance of CL than gold and platinum nanoparticles. The AgNPs-enhanced CL was ascribed to that AgNPs could catalyze the decomposition of H₂ O₂ to produce some reactive intermediates such as hydroxyl radical and superoxide anion. Figure 17 shows the effect of Ag colloid, Au colloid, Pt colloid, and filtrated solution of precipitated Ag colloid on luminol–H₂ O₂ CL [102].

Effect of Ag colloid (solid line), 38 nm Au colloid (dashed line), Pt colloid (dash-dot-dot line), and filtrated solution of precipitated Ag colloid (dotted line) on luminol–H₂ O₂ CL. The blank (filtrated solution of precipitated Ag colloid) signal was amplified by 100 times. Conditions:luminol, 1 × 10–4 mol/L; H₂ O₂ , 0.15 mol/L; pH 9.32 carbonate buffer for Ag, pH 12.0 NaOH for Au, pH 10.3 carbonate buffer for Pt [102]

Silver is the most popular catalyst when it has interaction with oxygen, water, carbon dioxide, ethylene, and methanol [103]. From the study that the catalytic properties of silver nanoparticles have accordingly changed can be realized. Jiang et al. [104] enhanced the catalytic properties of Ag by combining silver nanoparticles with silica spheres, and they also applied it to the detection of dye reduction. The technique to support silver particles on silica spheres effectively avoids flocculation of nano-sized colloidal metal particles during a catalytic process in the solution, which allows one to carry out the successful catalytic reduction of dyes. Figure 18 shows how the absorbance spectrum of the dyes decreases when the dyes are reduced.

een Silver nanoparticles immobilized on silica spheres are illustrated. b The absorbance spectrum of the dyes decreases as the dyes are reduced by sodium borohydride. This process is catalyzed by silver nanoparticles. The arrow marks the increase of reaction time [104]

In addition, the catalytic properties of silver also have important applications in other areas, for example, wet-spun fibers [105].

Properties and Applications of AgNPs on Surface Plasmon Resonance

In 1902, Wood found the SPR phenomenon for the first time in an optical experiment and made a brief record about that, but until in 1941, a scientist named Fano explained the phenomenon of SPR. Over the next 30 years, the theory about SPR has not been further explored nor has it been put into practical application. In 1971, Kretschmann put forward prism coupling structure that settled the foundation for the structure of SPR sensor, and SPR theory started to be widely achieved for experiments. On this basis, the surface plasma resonance effect of silver nanoparticles was explored deeply. The most successful part of the applications of plasmonic structures was in the detection of molecules. This technique has been commercialized for propagating surface plasmons (PSPs) on continuous metal films. The films are chemically functionalized to selective bind target molecules like DNA strands or proteins. Upon binding the target molecule, the dielectric environment is altered around the surface of the metal film. Consequently, binding can be monitored by measuring the change in coupling geometry (i.e., the angle) between the metal film and the excitation source needed to generate PSPs [106, 107]. This technique plays a key role, and a number of commercially available instruments are widely used today in the biological sciences [108].

Recently, the combination of silver nanoparticles with other materials to improve their surface plasmon resonance performance is another way of development. The nanosilver particles were bonded with starch by Vasileva et al. [109], and the materials were applied as a surface plasmon resonance-based sensor of hydrogen peroxide. Figure 19 shows the change of hydrogen peroxide decomposition.

een Change of the LSPR absorbance strength with time due to the introduction of 10–3 mol/L H₂ O₂ solution in the as-synthesized Ag-NPs solution at a volume ratio 1:1.5; the inset shows the bubbles from H₂ O₂ decomposition generated by the catalytic reaction between hydrogen peroxide and starch-stabilized Ag-NPs. b UV-vis absorption spectra recorded 15 min after the introduction of hydrogen peroxide solution with different concentrations in the solution of Ag-NPs at a volume ratio 1:1.5. c relevant photographs of Ag-NPs dispersions 60 min after the introduction of hydrogen peroxide with different concentrations [109]

SPR has a wide range of applications in other fields such as life science, medical testing, drug screening, food testing, environmental monitoring, and forensic identification.

The SPR technology becomes an indispensable part in the field of biological chemistry, food, and drug monitoring. The applications of SPR biosensors will be more diversified. And especially its emerging application in small molecule detection and lipid field will make it play an increasingly important role in the film and biology. In recent years, its development is particularly rapid. With the continuous improvement of SPR instruments and the continuous enhancement of biological membrane construction capability, SPR biosensor has a bright future.

Applications of AgNPs on Nanosensors

Due to the great research prospect of silver nanoparticles in nanosensors, many researchers have devoted to study it [110, 111]. So, we pick three representative examples to write in detail. Among them Zhu et al. [110] fabricated rhombic silver nanoparticles for biosensing. The rhombic silver nanoparticles were prepared by follow method. The mixed solution (polystyrene nanospheres and glass nanospheres with fluorocarbon surfactant) was coated onto the glass substrate to form a deposition mask, and then followed by hydrofluoric acid etching to remove the glass nanospheres. After that, the Ag metal thin film was deposited through the nanosphere masks using thermal evaporation or electron beam evaporation. After removal of the polystyrene nanospheres by sonication in absolute ethanol for 3 min, well-ordered rhombic AgNPs array was finally obtained on the substrates. The rhombic AgNPs array was single particle dimension of 140 nm in-plane width and 47 nm out-of-plane height. To prepare the biosensing, the Ag nanorhombuses are firstly functionalized using the self-assembly monolayer technique. Then assisting with 1-ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride, we covalently attached biotin to the carboxylate groups. The advantage of this biosensor is that the rhombic AgNPs array-based sensor with more hot spots has higher sensitivity than that of the traditional Ag triangular nanoparticles-based sensor. A detection of high sensitivity of the bio-molecule in lower concentration has been realized by means of the LSPR-based nanobiosensor. This type of biosensor will have potential applications in many fields such as medical science and biological technology. Meanwhile, M. Ghiaci et al. [111] utilized silver nanoparticles compounds as new electrochemical sensors for glucose detection. These electrochemical sensors were prepared based on synthesizing of two amine compounds bounded to silica support. The size of used AgNPs is 10 nm. The electrochemical sensor prepared by this method has a lower limit of glucose detection than other electrochemical sensors. This type of nanosensors will be more conducive to diabetes detection and treatment. Silver nanoscale sensors can also be used for environmental detection such as Li et al. [112] synthesized aza-crown ether (ACE)-modified silver nanoparticles as colorimetric sensors for Ba ²⁺ . What is more, colorimetric sensors merely need minimal instrumentation, achieve high sensitivity, and thus can make on-site detection even easier. The colorimetric sensors were synthesized by silver nanoparticles efficiently conjugated with CS₂ –ACE. ACE-modified AgNPs have good recognition of Ba ²⁺ , with the detection limit of 10 ^− 8 mol/L.

In addition to the abovementioned, silver nanosensors also have other different applications that are worth us to explore.

Other Applications

Ag nanomaterials also have many other applications in various fields, such as nanoscale detection [113] and solar cells.

Silver nanoparticle and its complex can be used for solar cells to enhance photoelectric conversion efficiency and photovoltaic performances [114,115,116].

Shen et al. [114] enhanced photovoltaic performances of polymer solar cells by incorporating Ag–SiO₂ core–shell nanoparticles in the active layer. They creatively incorporated Ag–SiO₂ core–shell nanoparticles (Ag–SiO₂ -NPs) into photo−/electro-active layers consisting of poly(3-hexylthiophene) (P3HT) and phenyl-C₆₁ -butyric acid methyl ester (PCBM) in polymer solar cells (PSCs). By this way, the photovoltaic performance of PSCs have largely been enhanced. The results demonstrate a 13.50% enhancement of short-circuit photocurrent density and a 15.11% enhancement of power conversion efficiency as the weight percent of doped Ag–SiO₂ -NPs is 1.5 wt% in the active layer of corresponding PSCs. In the later research, bare silver nanoplate (Ag-nPl) were spin-coated on indium tin oxide and silica capsulated Ag-NPs were incorporated to a PBDTTT-C-T:PC71BM active layer by Shen et al. [115]. As a result, the devices incorporated with Ag-nPl and Ag@SiO₂ -NPs showed great enhancements. With the dual effects of Ag-nPl and Ag@SiO₂ -NPs in devices, all wavelength sensitization in the visible range was realized; therefore, the power conversion efficiency of PSCs showed a great enhancement of 14.0 to 8.46%, with an increased short-circuit current density of 17.23 mA cm ^− 2 . Importantly, the methodology of multiple shape combination of metallic nanoadditives improves the photovoltaic performance of PSCs very effectively compared to the single-shape method.

Thus, Ag is a promising material for the conversion of solar energy into electricity and good detection. In addition to the abovementioned, Ag also has many other applications, but it still needs people to further explore it.

Conclusions

This work reviewed the development progress of Ag nanomaterials on synthesis methods and applications. Different shapes of Ag nanostructures had been synthesized such as cubic, rod-shaped, and sphere-shaped, Ag nanostructure obtained by chemical synthesis and microwave methods were successfully prepared. In addition, different size of AgNPs have been synthesized such as 1–10 nm, 10–100 nm, AgNPs obtained by chemical synthesis, laser ablation, and green synthesis. Meanwhile, it has been successfully applied to many fields, such as antibacterial, fluorescence, catalysis, SPR, and nanosensors, and it is expected to use in other fields. In fact, there are still limitations for their practical applications in photoelectric and medical fields because it often requires complex preparation process, and the yield is very low. In most cases, AgNPs are easy to agglomerate, which will greatly reduce its optical properties. Therefore, it is necessary to utilize surface active agent to achieve a good effect. Although, there are so many challenges, the advances in nanoscience and nanotechnology of silver still promise a better future for many kinds of industries. In conclusion, the future research of silver nanoparticles should be directed towards biosynthetic, size controllable, and uniform shape preparation. And the future application of AgNPs-based will be utilized in new energy battery or wearable intelligent equipment by its excellent localized surface plasmon resonance effect and antibacterial activity. In addition, AgNPs-based materials can be further utilized for applications in nanodevices by self-assembly and molecular molding technology.

Afkortingen

ACE:

Aza-crown ether

Ag-nPl:

Silver nanoplate

AgNPs:

Ag nanoparticles

CL:

Chemiluminescence

CTAB:

Cetyltrimethyl ammonium bromide

DBSA:

Dodecyl benzene sulfonic acid

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

EDS:

Energy dispersive spectroscopy

fcc:

Gezichtsgecentreerd kubisch

HRTEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie

LSPR:

Gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie

MTCC:

The name of bacteria

MTPs:

Multiply twinned particles

P3HT:

Poly(3-hexylthiophene)

PAA:

Poly(acrylic) acid

PBDTTT-C-T:

Poly[4,8-bis((2-ethylhexyl)thiophen-5-yl)-benzo[1,2-b:4,5-b’]dithiophene-2,6-diyl]-alt-[2-(20-ethylhexanoyl)-thieno[3,4-b]thiophene-4,6-diyl]}

PC71BM:

Fullerene derivatives acceptor material C71-butyric acid methyl ester

PCBM:

Phenyl-C₆₁ -butyric acid methyl ester

PDDA:

Poly(dimethyldiallylammonium chloride)

PEG:

Polyethylene glycol

PLLA:

Poly(L-lactide)

PSC's:

Polymer solar cells

PSPs:

Propagating surface plasmons

PVA :

Poly-vinyl alcohol

PVP:

Poly-vinyl pyrrolidone

SDA:

Sabro dextrose agar

SDS:

Sodium dodecyl sulfate

SEM:

Scanning elektronenmicroscoop

SERS:

Oppervlakteverbeterde Raman-verstrooiing

SPR:

Oppervlakteplasmonresonantie

TEM:

Transmissie elektronenmicroscoop

THF:

Tetrahydrofuran

UV-vis:

Ultraviolet-visible

XRD:

Röntgendiffractie