Synthese van metaalnanopartikels: geavanceerde materiaaleigenschappen ontgrendelen

Vind je dit verhaal leuk?

Metaalnanopartikels
De term metaalnanopartikels wordt gebruikt om nano-gemeten metalen te beschrijven met afmetingen (lengte, breedte of dikte) binnen het groottebereik 1-100 nm. Metaalnanopartikels vertonen eigenschappen die behoorlijk verschillen van die van individuele atomen, oppervlakken of bulk-materialen. De belangrijkste kenmerken van MNP's zijn grote oppervlakte-tot-volume-verhouding vergeleken met de bulk-equivalenten, grote oppervlakte-energieën, bestaan als een overgang tussen moleculaire en metallische toestanden die een specifieke elektronische structuur bieden (lokale dichtheid van toestanden LDOS), hebben plasmon-opwekking, kwantumconfinement, kortafstandsordening, verhoogd aantal kinken, bevatten een groot aantal laag-coördinatie plaatsen zoals hoeken en randen, hebben een groot aantal "dangling bonds" en daardoor specifieke chemische eigenschappen en de capaciteit om overtollige elektronen op te slaan.

Hun potentiële toepassingen omvatten bijvoorbeeld gebruik in biochemie, in katalyse en als chemische en biologische sensoren, als systemen voor nano-elektronica en nano-gestructureerd magnetisme.

Synthese

Chemische methoden omvatten chemische reductie van metalenzouten, alcoholreductieproces, polyolproces, micro-emulsies, thermische decompositie van metalenzouten en electrochemische synthese. Fysieke methoden omvatten exploderende draadtechniek, plasma, chemische dampafscheiding, microgolfbestraaling, gepulste laserablatie, superkritische vloeistoffen, sonochemische reductie en gammastraling.

Reductie van metalencomplexen in uitgezette oplossingen is de algemene methode van synthese van metaalkolloidale dispersies, en een verscheidenheid aan methoden is ontwikkeld om de reductiereacties te initiëren en te controleren. In de meeste gevallen wordt de vorming van eengrote metaalnanopartikels bereikt door een combinatie van een lage concentratie van opgeloste stof en een polymere monolaag die hecht op de groeiovervlakken. Zowel een lage concentratie als een polymere monolaag kunnen de diffusie van groeispecieën van de omringende oplossing naar de groeiovervlakken belemmeren en het diffusieproces is waarschijnlijk de snelheidsbepalende stap van de daaropvolgende groei van initiële kernen, wat resulteert in de vorming van uniform grote nanopartikels.

Precursoren en reagentia

Bij de synthese van metaalnanopartikels, of meer specifiek, metaalkolloidale dispersie, worden verschillende typen precursoren, reductiereagentia, andere chemicaliën en methoden gebruikt om de reductiereacties, de initiële nucleatie en de daaropvolgende groei van initiële kernen te promoten of te controleren. De precursoren omvatten: elementaire metalen, anorganische zouten en metalencomplexen, zoals Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3, en PdCl2. Reductiereagentia omvatten: natriumcitraat, waterstofperoxide, hydroxylaminehydrochloride, citroenzuur, koolstofmonoxide, fosfor, waterstof, formaldehyde, aqueous methanol, natriumcarbonaat en natriumhydroxide.

Andere synthesemethoden

Metaalnanopartikels kunnen ook bereid worden door een electrochemische depositiemethode die een eenvoudige electrochemische cel gebruikt die alleen een metaal anode en een metaal of glazen koolstofkathode bevat. Het elektrolyt bestaat uit organische oplossingen van tetra-alkyl ammoniumhalogeniden, die ook als stabilisatoren dienen voor de geproduceerde metaalnanopartikels. Bij toepassing van een elektrisch veld, ondergaat de anode oxidatieve ontbinding waarbij metaalionen gevormd worden, die migreren naar de kathode. De reductie van metaalionen door ammoniumionen leidt tot nucleatie en daaropvolgende groei van metaalnanopartikels in de oplossing. Met deze methode kunnen nanopartikels van Pd, Ni en Co met diameters variërend van 1,4 tot 4,8 nm geproduceerd worden.

Goudnanopartikels

Colloïdaal goud is al lang 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 goudnanopartikels, en onder hen werd de natriumcitraatreductie van chloraurijnzuur bij 100°C meer dan 50 jaar geleden ontwikkeld en blijft de meest gebruikte methode.

Zilvernanopartikels

Verschillende methoden zijn ontwikkeld voor de vorming van zilvernanopartikels. Synthese van Ag-nanopartikels kan bereikt worden door UV-belichting van waterige oplossingen die AgClO4, aceton, 2-propanol en diverse polymerestabilisatoren bevatten. UV-belichting genereert ketyl-radicalen via excitatie van aceton en daaropvolgende waterstofatoomabstractie van 2-propanol en het ketyl-radicaal kan verder een protolytische dissociatiereactie ondergaan. Zowel het ketyl-radicaal als radicaal-anionen reageren met en reduceren zilverionen tot zilveratomen.

De reacties hebben een lage reactiesnelheid en bevorderen de productie van eengrote zilvernanopartikels. Met de aanwezigheid van polyethyleenimine als polymerestabilisator, hebben zilvernanopartikels gevormd met het bovenstaande fotochemische reductieproces een gemiddelde grootte van 7nm met een smalle groottedistributie.

Hoewel polymerestabilisatoren een zeer belangrijke rol spelen in de synthese van metaalnanopartikels, kunnen ze ook zonder enige polymerestabilisator bereid worden. Zilvernanopartikels kunnen bereid worden met een commercieel beschikbare set oplossingen. Zonder enige stabiliserend reagent toe te voegen, kan het gesynthetiseerd worden met waterige dispersie van zilvernanopartikels van 20-30 nm in grootte. De dispersie wordt waarschijnlijk gestabiliseerd door een elektrostatisch stabilisatiemechanisme. Echter, de deeltjesgrootte is gevoelig afhankelijk van de synthesetemperatuur. Een kleine variatie in temperatuur zou resulteren in een significante verandering in diameters van metaalnanopartikels.