Синтез металлических наночастиц: раскрытие передовых свойств материалов

Нравится ли вам эта история?

Металлические наночастицы
Термин металлическая наночастица используется для описания наноразмерных металлов с размерами (длина, ширина или толщина) в диапазоне 1-100 нм. Металлические наночастицы демонстрируют свойства, которые сильно отличаются от свойств отдельных атомов, поверхностей или объемных материалов. Основные характеристики МНЧ: большое отношение поверхности к объему по сравнению с объемными эквивалентами, большие поверхностные энергии, существование как переход между молекулярными и металлическими состояниями, обеспечивающие специфическую электронную структуру (локальная плотность состояний LDOS), имеют плазмонное возбуждение, квантовое замыкание, кратковременное упорядочивание, увеличенное количество изломов, содержат большое количество центров с низкой координацией, таких как углы и края, имеют большое количество «висячих связей» и, следовательно, специфические химические свойства и способность накапливать избыточные электроны.
Их потенциальные применения включают, например, использование в биохимии, в катализе и как химические и биологические датчики, как системы для наноэлектроники и наноструктурированного магнетизма.
Синтез
Химические методы включают химическое восстановление солей металлов, спиртовой процесс восстановления, полиоловый процесс, микроэмульсии, термическое разложение солей металлов и электрохимический синтез. Физические методы включают технику взрыва провода, плазму, химическое осаждение из паровой фазы, микроволновое облучение, импульсную лазерную аблиацию, надкритические флюиды, звукохимическое восстановление и гамма-облучение.
Восстановление металлических комплексов в разбавленных растворах — общий метод синтеза металлических коллоидных дисперсий, и разные методы были разработаны для инициации и контроля реакций восстановления. В большинстве случаев формирование моноразмерных металлических наночастиц достигается сочетанием низкой концентрации растворимого вещества и полимерного монослоя, адгерирующего на поверхностях роста. И низкая концентрация, и полимерный монослой могут препятствовать диффузии видов роста из окружающего раствора к поверхностям роста, и процесс диффузии, вероятно, является скорость-ограничивающим этапом последующего роста начальных ядер, что приводит к формированию однородно размерных наночастиц.
Предшественники и реагенты
В синтезе металлических наночастиц, или более конкретно, металлических коллоидных дисперсий, используются различные типы предшественников, реагентов восстановления, других химикатов и методов для продвижения или контроля реакций восстановления, начальной нуклеации и последующего роста начальных ядер. Предшественники включают: элементарные металлы, неорганические соли и металлические комплексы, такие как Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3 и PdCl2. Реагенты восстановления включают: натрий цитрат, перекись водорода, гидроксиламин гидрохлорид, лимонная кислота, угарный газ, фосфор, водород, формальдегид, водяной спирт, натрий карбонат и натрий гидроксид.
Другие методы синтеза
Металлические наночастицы также могут быть приготовлены электрохимическим методом осаждения, используя простую электрохимическую ячейку, содержащую только металлический анод и металлический или стекловидный углеродный катод. Электролит состоит из органических растворов тетраалкил аммоний галогенидов, которые также служат стабилизаторами для производимых металлических наночастиц. При приложении электрического поля, анод проходит оксидативное растворение, образуя металлические ионы, которые мигрируют к катоду. Восстановление металлических ионов аммониевыми ионами приводит к нуклеации и последующему росту металлических наночастиц в растворе. С этим методом наночастицы Pd, Ni и Co с диаметрами от 1.4 до 4.8 нм могут быть произведены.
Золотые наночастицы
Коллоидное золото изучалось широко в течение долгого времени. В 1857 году Фарадей опубликовал всестороннее исследование приготовления и свойств коллоидного золота. Различные методы были разработаны для синтеза золотых наночастиц, и среди них, восстановление натрий цитратом хлорауриновой кислоты при 100°C было разработано более 50 лет назад и остается наиболее часто используемым методом.
Серебряные наночастицы
Различные методы были разработаны для формирования серебряных наночастиц. Синтез Ag наночастиц может быть достигнут УФ-освещением водных растворов, содержащих AgClO4, ацетон, 2-пропанол и различные полимерные стабилизаторы. УФ-освещение генерирует кетилрадикалы через возбуждение ацетона и последующее абстрагирование атома водорода из 2-пропанола, и кетилрадикал может далее пройти протолитическую реакцию диссоциации. И кетилрадикал, и радикальные анионы реагируют с и восстанавливают серебряные ионы к серебряным атомам.
Реакции имеют низкую скорость реакции и способствуют производству моноразмерных серебряных наночастиц. При наличии полиэтиленимина как полимерного стабилизатора, серебряные наночастицы, сформированные вышеуказанным фотохимическим процессом восстановления, имеют средний размер 7 нм с узким распределением размера.
Хотя полимерные стабилизаторы играют очень важную роль в синтезе металлических наночастиц, они могут быть приготовлены без использования любого полимерного стабилизатора. Серебряные наночастицы могут быть приготовлены с использованием коммерчески доступного набора растворов. Без добавления любого стабилизирующего реагента, может быть синтезирован с использованием водной дисперсии серебряных наночастиц 20-30 нм в размере. Дисперсия, вероятно, стабилизируется механизмом электростатической стабилизации. Однако размер частицы чувствительно зависит от температуры синтеза. Небольшое изменение температуры приведет к значительному изменению диаметров металлических наночастиц.