Synthese van metalen nanodeeltjes:het ontsluiten van geavanceerde materiaaleigenschappen

Vind je dit verhaal leuk?

Metalen nanodeeltjes
De term metalen nanodeeltje wordt gebruikt om metalen van nanoformaat te beschrijven met afmetingen (lengte, breedte of dikte) binnen het groottebereik van 1-100 nm. Metalen nanodeeltjes vertonen eigenschappen die heel anders zijn dan die van individuele atomen, oppervlakken of bulkmaterialen. De belangrijkste kenmerken van MNP’s zijn de grote oppervlakte-tot-volume-verhouding in vergelijking met de bulk-equivalenten, grote oppervlakte-energieën, het bestaan als een overgang tussen moleculaire en metallische toestanden die een specifieke elektronische structuur bieden (lokale toestandsdichtheid LDOS), ze hebben plasmon-excitatie, kwantumopsluiting, ordening op korte afstand, een groter aantal knikken, bevatten een groot aantal plaatsen met lage coördinatie, zoals hoeken en randen, met een groot aantal ‘hangende bindingen’ en bijgevolg specifieke en chemische eigenschappen en het vermogen om overtollige elektronen.
Hun potentiële toepassingen omvatten bijvoorbeeld gebruik in de biochemie, in de katalyse en als chemische en biologische sensoren, als systemen voor nano-elektronica en nanogestructureerd magnetisme.
Synthese
Chemische methoden Omvatten chemische reductie van metaalzouten, alcoholreductieproces, polyolproces, micro-emulsies, thermische ontleding van metaalzouten en elektrochemische synthese. Fysische methoden omvatten exploderende draadtechniek, plasma, chemische dampafzetting, microgolfbestraling, gepulseerde laserablatie, superkritische vloeistoffen, sonochemische reductie en gammastraling.
Reductie van metaalcomplexen in verdunde oplossingen is de algemene methode voor de synthese van colloïdale metaaldispersies, en er is een verscheidenheid aan methoden ontwikkeld om de reductiereacties te initiëren en te controleren. In de meeste gevallen wordt de vorming van metallische nanodeeltjes van monogrootte bereikt door een combinatie van een lage concentratie opgeloste stof en een polymere monolaag die zich aan de groeioppervlakken hecht. Zowel een lage concentratie als een polymere monolaag kunnen de diffusie van groeisoorten uit de omringende oplossing naar de groeioppervlakken belemmeren en het diffusieproces is waarschijnlijk de snelheidsbeperkende stap van de daaropvolgende groei van initiële kernen, resulterend in de vorming van nanodeeltjes van uniforme grootte.
Voorlopers en reagentia
Bij de synthese van metallische nanodeeltjes, of meer specifiek, metallische colloïdale dispersie, worden verschillende soorten voorlopers, reductiereagentia, andere chemicaliën en methoden gebruikt om de reductiereacties, de initiële kiemvorming en de daaropvolgende groei van initiële kernen te bevorderen of te controleren. De voorlopers omvatten:elementaire metalen, anorganische zouten en metaalcomplexen, zoals Ni, Co, HAuC14, H,PtCl, RhCl en PdCI2. Reductiemiddelen omvatten:natriumcitraat, waterstofperoxide, hydroxylaminehydrochloride, citroenzuur, koolmonoxide, fosfor, waterstof, formaldehyde, waterige methanol, natriumcarbonaat en natriumhydroxide.
Andere synthesemethoden
Metallische nanodeeltjes kunnen ook worden bereid door middel van een elektrochemische afzettingsmethode waarbij gebruik wordt gemaakt van een eenvoudige elektrochemische cel die alleen een metalen anode en een metalen of glasachtige koolstofkathode bevat. Het elektrolyt bestaat uit organische oplossingen van tetra-alkylammoniumhalogeniden, die tevens dienen als stabilisatoren voor de geproduceerde metalen nanodeeltjes. Bij het aanleggen van een elektrisch veld ondergaat de anode een oxidatieve oplossing, waarbij metaalionen worden gevormd, die naar de kathode zouden migreren. De reductie van metaalionen door ammoniumionen leidt tot de kiemvorming en daaropvolgende groei van metallische nanodeeltjes in de oplossing. Met deze methode kunnen nanodeeltjes van Pd, Ni en Co met diameters variërend van 1,4 tot 4,8 nm worden geproduceerd.
Gouden nanodeeltjes
Colloïdaal goud wordt al lange tijd uitgebreid bestudeerd. In 1857 publiceerde Faraday een uitgebreide studie over de bereiding en eigenschappen van colloïdaal goud. Er is een verscheidenheid aan methoden ontwikkeld voor de synthese van gouden nanodeeltjes, waaronder de natriumcitraatreductie van chloorgoudzuur bij 100 ° C, die meer dan 50 jaar geleden werd ontwikkeld en nog steeds de meest gebruikte methode is.
Zilveren nanodeeltjes
Er zijn verschillende methoden ontwikkeld voor de vorming van zilveren nanodeeltjes. De synthese van Ag-nanodeeltjes kan worden bereikt door UV-belichting van waterige oplossingen die AgC104, aceton, 2-propanol en verschillende polymeerstabilisatoren bevatten. UV-verlichting genereert ketylradicalen via excitatie van aceton en daaropvolgende waterstofatoomabstractie uit 2-propanol en het ketylradicaal kan verder een protolytische dissociatiereactie ondergaan. Zowel het ketylradicaal als de radicaalanionen reageren met zilverionen en reduceren dit tot zilveratomen.
De reacties hebben een lage reactiesnelheid en bevorderen de productie van zilvernanodeeltjes van monogrootte. Met de aanwezigheid van polyethyleenimine als polymeerstabilisator hebben zilveren nanodeeltjes gevormd met behulp van het bovenstaande fotochemische reductieproces een gemiddelde grootte van 7 nm met een smalle grootteverdeling.
Hoewel polymeerstabilisatoren een zeer belangrijke rol spelen bij de synthese van metalen nanodeeltjes, kunnen ze worden bereid zonder gebruik van een polymeerstabilisator. Zilveren nanodeeltjes kunnen worden bereid met behulp van in de handel verkrijgbare oplossingen. Zonder toevoeging van enig stabiliserend reagens kan het worden gesynthetiseerd met behulp van een waterige dispersie van zilveren nanodeeltjes met een grootte van 20-30 nm. De dispersie wordt waarschijnlijk gestabiliseerd door een elektrostatisch stabilisatiemechanisme. De deeltjesgrootte is echter gevoelig afhankelijk van de synthesetemperatuur. Een kleine temperatuurvariatie zou resulteren in een significante verandering in de diameter van metalen nanodeeltjes.