Синтез металлических наночастиц:раскрытие улучшенных свойств материала

Вам нравится эта история?

Металлические наночастицы
Термин «металлические наночастицы» используется для описания наноразмерных металлов с размерами (длина, ширина или толщина) в диапазоне размеров 1-100 нм. Металлические наночастицы обладают свойствами, которые сильно отличаются от свойств отдельных атомов, поверхностей или объемных материалов. Основными характеристиками МНЧ являются большое отношение площади поверхности к объему по сравнению с объемными эквивалентами, большая поверхностная энергия, существование в качестве перехода между молекулярными и металлическими состояниями, обеспечивающими специфическую электронную структуру (локальная плотность состояний LDOS), наличие плазмонного возбуждения, квантовое ограничение, ближнее упорядочение, повышенное количество перегибов, содержание большого количества низкокоординированных участков, таких как углы и края, наличие большого количества «оборванных связей» и, следовательно, специфичность и химические свойства и способность хранить лишние электроны.
Их потенциальное применение включает, например, использование в биохимии, катализе, в качестве химических и биологических сенсоров, систем наноэлектроники и наноструктурированного магнетизма.
Синтез
Химические методы включают химическое восстановление солей металлов, процесс спиртового восстановления, полиольный процесс, микроэмульсии, термическое разложение солей металлов и электрохимический синтез. Физические методы включают технику взрывающейся проволоки, плазму, химическое осаждение из паровой фазы, микроволновое облучение, импульсную лазерную абляцию, сверхкритические жидкости, сонохимическое восстановление и гамма-излучение.
Восстановление комплексов металлов в разбавленных растворах является общим методом синтеза коллоидных дисперсий металлов, и для инициирования и контроля реакций восстановления были разработаны различные методы. В большинстве случаев образование моноразмерных металлических наночастиц достигается за счет сочетания низкой концентрации растворенного вещества и полимерного монослоя, прилипающего к ростовым поверхностям. Как низкая концентрация, так и полимерный монослой могут препятствовать диффузии частиц роста из окружающего раствора к поверхностям роста, и процесс диффузии, вероятно, будет стадией, лимитирующей скорость последующего роста исходных зародышей, что приведет к образованию наночастиц однородного размера.
Прекурсоры и реагенты
При синтезе металлических наночастиц или, более конкретно, металлической коллоидной дисперсии, используются различные типы прекурсоров, восстановительные реагенты, другие химические вещества и методы для стимулирования или контроля реакций восстановления, начального зародышеобразования и последующего роста исходных зародышей. Прекурсоры включают:элементарные металлы, неорганические соли и комплексы металлов, такие как Ni, Co, HAuC14, H, PtCl, RhC1 и PdCl2. В состав восстановительных реагентов входят:цитрат натрия, перекись водорода, гидрохлорид гидроксиламина, лимонная кислота, окись углерода, фосфор, водород, формальдегид, водный метанол, карбонат натрия и гидроксид натрия.
Другие методы синтеза
Металлические наночастицы также можно получить методом электрохимического осаждения с использованием простой электрохимической ячейки, содержащей только металлический анод и металлический или стеклоуглеродный катод. Электролит состоит из органических растворов галогенидов тетраалкиламмония, которые также служат стабилизаторами получаемых наночастиц металлов. При приложении электрического поля анод подвергается окислительному растворению, образуя ионы металла, которые мигрируют к катоду. Восстановление ионов металлов ионами аммония приводит к зарождению и последующему росту металлических наночастиц в растворе. С помощью этого метода можно получить наночастицы Pd, Ni и Co диаметром от 1,4 до 4,8 нм.
Наночастицы золота
Коллоидное золото широко изучается уже давно. В 1857 году Фарадей опубликовал обширное исследование получения и свойств коллоидного золота. Для синтеза наночастиц золота было разработано множество методов, среди них восстановление хлорауриновой кислоты цитратом натрия при 100°C было разработано более 50 лет назад и остается наиболее часто используемым методом.
Наночастицы серебра
Разработаны различные методы формирования наночастиц серебра. Синтез наночастиц Ag может быть достигнут путем УФ-освещения водных растворов, содержащих AgC104, ацетон, 2-пропанол и различные полимерные стабилизаторы. УФ-освещение генерирует кетильные радикалы посредством возбуждения ацетона и последующего отрыва атома водорода от 2-пропанола, при этом кетильный радикал может далее подвергаться реакции протолитической диссоциации. Как кетильный радикал, так и анионы-радикалы реагируют с ионами серебра и восстанавливают их до атомов серебра.
Реакции имеют низкую скорость и способствуют образованию моноразмерных наночастиц серебра. Благодаря присутствию полиэтиленимина в качестве стабилизатора полимера наночастицы серебра, образованные с помощью описанного выше процесса фотохимического восстановления, имеют средний размер 7 нм с узким распределением по размерам.
Хотя полимерные стабилизаторы играют очень важную роль в синтезе наночастиц металлов, их можно получить без использования какого-либо полимерного стабилизатора. Наночастицы серебра можно получить, используя коммерчески доступный набор растворов. Без добавления какого-либо стабилизирующего реагента его можно синтезировать, используя водную дисперсию наночастиц серебра размером 20-30 нм. Дисперсия, вероятно, стабилизируется за счет механизма электростатической стабилизации. Однако размер частиц чувствительно зависит от температуры синтеза. Небольшое изменение температуры приведет к значительному изменению диаметра металлических наночастиц.