Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Генерация нулевой валентностью металлический сердечник наночастиц с использованием N- (2-аминоэтил) -3-aminosilanetriol

Published: February 11, 2016 doi: 10.3791/53507
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry, William Paterson University

Introduction

Поскольку спрос и применения дизайнер наноматериалов возрастает, так что различные методы синтеза. Методы "сверху-вниз», такие как лазерная абляция или химического травления были использованы для их отличную управляемость и способность решения материалы надежно до уровня субмикронного. Эти методы основаны на сыпучих материалов обрабатываются на более мелкие компоненты, которые обычно увеличивают стоимость производства при уменьшении требуемого размера наноструктуры. Альтернативный способ синтеза к этому является «снизу-вверх» подход, который контролирует синтез на молекулярном уровне и строит до желаемой наноструктуры. Это придает значительную степень контроля на нужном самосборки, функциональности, пассивности и стабильности в генерации этих наноструктурных материалов 1. Работая от молекулярного уровня, гибридные нанокомпозиты могут быть сгенерированы обеспечивая преимущества обоих материалов в пределах одного structuчисло рейнольдса

Как наноматериалы синтезируются посредством стратегии снизу вверх, методы должны быть использованы, чтобы контролировать размер частиц, форму, текстуру, гидрофобность, пористость, зарядом и функциональность 2. В основной металл синтеза наночастиц, соль начальное металла восстанавливается в аутокаталитическое процесса для получения частиц с нулевой валентностью, который в свою очередь направляют зарождение другой частицы. Это приводит к кластеризации и, наконец, в виде наночастиц производство 3. В попытке контролировать размер наночастиц, созданных и предотвратить их осаждение из раствора, стабилизаторы, такие как лиганды, поверхностно-активные заряда ионов, а также крупные полимеров эксплуатируются за их способности блокировать наночастицы от дальнейшего агломерации 4-10. Эти материалы ингибируют ВандерВаальса привлечение наночастиц, либо через стерических затруднений в связи с наличием объемных групп или через кулоновских отталкивание 3.

В тего работа, поверхностное, один горшок, синтетические стратегии для генерации различных основных металлов наночастиц с использованием силана, N- (2-аминоэтил) -3-aminosilanetriol (2-АСТ) представлена ​​(рисунок 1). Лиганды по этому соединению способны уменьшать металлические прекурсоры и стабилизации наночастиц металлов с относительно высокой эффективностью. Три силаноловые остатков, присутствующих также способны к сшиванию, и это образует взаимосвязанную сеть органосилановым полимера, пропитанного наночастицами в пределах его матрицы (рисунок 2). В отличие от большинства силанов, которые легко подвергаются гидролизу в присутствии воды, это соединение стабилизируется в воде, которая является полезной для целей гидрофобности, стабильность и контроль.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Примечание: Все реагенты используются как от производителя без дальнейшей очистки. Реакции контролировались в течение одной недели с помощью УФ-видимой спектроскопии, чтобы обеспечить полное восстановление. Все реакции проводят под вентиляционной капотом и соответствующее одеяние безопасности носить в любое время, в том числе перчатки, защитные очки для глаз, и халатах.

1. Синтез наночастиц серебра

  1. Взвесить 0.0169 г (0,1 ммоль) нитрата серебра непосредственно в 50 мл колбу Эрленмейера.
  2. Добавить в 20 мл 18,2 МОм сверхчистой воды и магнитной мешалкой. Накройте колбу с пробкой, чтобы предотвратить испарение.
  3. Место колбу на масляной бане, расположенной на мешалкой / горячей плите и гарантировать, что температура поддерживается на уровне 60 ° С.
  4. Медленно добавить 144 мкл (0,2 ммоль) 2-AST с помощью точного микропипетки. Флеш пипеток несколько раз в растворе для обеспечения всех силан переходят в раствор.
  5. Возьмите UV-VIS показания спектроскопиив соответствии с протоколом, перечисленных в разделе 5.
  6. После 6 ч, удалить образец из масляной бани и передать флакон на 20 мл образца для хранения, TEM, FTIR и дальнейшего анализа.
    Примечание: Синтез наночастиц золота и палладия следующим тем же методом и стехиометрических количеств, за исключением золотых наночастиц, требующих 216 мкл (0,3 ммоль) 2-AST. Реакция может продолжать производить наночастицы на срок до 2 недель, но скорость не является существенным по сравнению с начальной скоростью.

2. трансмиссионного электронного микроскопа (ПЭМ) Приготовление образца

  1. Убедитесь, что образец охлаждают до комнатной температуры.
  2. Поместите формвар покрытием медную сетку с 200 углерод-меш на чистую кусочек фильтровальной бумаги.
  3. Использование 1 мл пластиковые пипетки Пастера литой падение примерно 60 мкл образца наночастиц непосредственно на сетке.
  4. Разрешить сетки высохнуть в течение 24 часов перед визуализации.
  5. Возьмите ПЭМ-изображения высокого разрешения с соблюдением следующих условий:10 мкА и 100 кВ ускоряющего напряжения 22.

3. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) Приготовление образца

Примечание: Выполнение ЯМР при комнатной температуре. При высоких температурах сигналы могут сливаться, который ухудшает качество спектров, полученных.

  1. Использование точность пипетки, пипетки 50 мкл диоксида дейтерия (D 2 O) в чистый ЯМР трубки.
  2. С другой чистый точности пипетки, пипетки 400 мкл наночастиц образца в то же ЯМР трубки.
    1. Как образцы могут придерживаться внутренних стенках ЯМР трубки, постепенно добавить решения в ЯМР пробирку. Если образец имеет придерживаться, крышка трубки и встряхнуть верхнюю часть трубки, чтобы заставить решение на дно.
  3. Перемешивают образец путем встряхивания и неоднократно переворачивая пробирку ЯМР.
  4. Место пробирку в ЯМР следующим направлениям, установленным протоколом ЯМР предоставленной изготовителем. An вверх в 1000 сканирований могут быть необходимы для надлежащего разрешенииспособность по в программе импульса протонного ЯМР 1 Н.
    Примечание: ЯМР стенках труб должны быть чистыми. Рекомендуется, чтобы наружная стенка трубки протирают микроволокна или безворсовой ткани перед анализом для спектров ясности.
  5. Откажитесь образец, когда закончите. Не возвращать образец исходного раствора.

4. инфракрасного Фурье Пробоподготовка (ИК) спектроскопии

  1. Поместите 2 мл наночастиц образца в небольшой стеклянный контейнер. Стеклянный флакон 3 мл трубки или 1 драм работает хорошо.
  2. Сушат образцы, помещая стеклянный контейнер в вакуумном эксикаторе, снабженную запорным краном.
  3. Приложить эксикаторе аппарата вакуумного насоса. Сушка образцов может занять несколько часов в зависимости от вакуумной силы. Рассмотрим образцы высохнуть после нет никакого видимого жидкости в контейнере.
  4. Очистите вниз образец с помощью чистой лопаточки и собирать твердые материалы.
  5. Поместите твердый материал на ATR-FTIR спектроскопа снабженную ZnSe Crystаль диодный лазер.
  6. Получить ИК-спектры интегрирующую 32 сканирований между 4,000-500 см -1 со спектральным разрешением 2,0. Используйте фон 23 воздуха.

5. УФ-Vis спектроскопия Подготовка проб

  1. Провести UV-VIS-спектроскопии на образцах наночастиц, которые находятся в одной до десяти разведении наночастиц образца в воду таким образом, что насыщение не наступает в спектрометрического анализа.
  2. Удалить образцы наночастиц для UV-VIS в то время как реакция запущена с интервалом полчаса.
  3. Использование точность пипетку, удалите 100 мкл наночастиц материала и поместить в пластиковую кювету.
  4. Добавить 1 мл сверхчистой воды с той же кювете и тщательно перемешать с помощью промывки пипетки несколько раз.
  5. Запись в видимой и ультрафиолетовой поглощение спектр между 250-800 нм.
  6. После анализа, не возвращают образец реакции. Утилизация вещества в соответствующей манере.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

За ходом реакции следили с помощью УФ-видимой спектроскопии, как образование наночастиц должны производить пиков, характерных для каждого отдельного металлической наночастицы. Окончательный анализ синтезированных материалов было достигнуто путем ТЕА и ИК-Фурье. Спектры ИК были получены из сухого порошка образцов. Анализ размера частиц может быть осуществлено путем измерения диаметра наночастиц из изображений, полученных с помощью ТЭМ и результатов усреднения.

Комплексообразование наночастиц с 2-AST силана может быть проверена с помощью FTIR наличием характерных пиков для силана и аминных функциональных (фиг.3С, 5С, 6С) &. Литература предполагает наличие связей Si-O-Si может производить сильное инфракрасное поглощение около 1000 см -1 с разветвлением и расширенных полимерных цепей уширения этот пик 20. Пики в диапазоне от 1,550-1,650 см -1 относятся к NH 2 деформации. Умеренное NH 2 стрейч и NH шутник можно увидеть на 3,000-2,750 см -1 и 910-770 см -1 соответственно 19.

Для серебра синтеза наночастиц, исходные материалы были добавлены к предварительно разогретой раствора и за ходом реакции следили, пока уменьшение не было завершено. УФ-Вид спектроскопический анализ продукта показал, что образование наночастиц серебра с увеличением пика при примерно 414 нм (рис 3A), который следовал значения литературе того поверхностного плазмонного резонанса наночастиц серебра образование 11, 12. Концентрация серебра наночастицы увеличивают до тех пор сокращение соли металла не была завершена. После 6 ч реакции, анализ ТЭМ (фигура 3В) подтвердили присутствие наночастиц серебра. Анализ размера частиц показал, что большинствонаночастицы были в диапазоне размеров 10 ± 2,3 нм. Для того чтобы лучше понять роль нашей силанового соединения, в ОТ 1Н ЯМР в растворе наночастиц серебра проводили (Фиг.4В). Считается, что согласование амина наночастиц приводит к новым пикам между 2,73 до 3,40 & delta. Кроме того, образцы были повторно проанализированы еще раз после одного года и сохранили те же характеристики, проверив устойчивость частиц.

Реакцию с хлорида золота проводили таким же образом, как синтез нитрата серебра наночастиц. В образцах золота, наблюдалось увеличение пик в диапазоне 533 нм на протяжении 6 ч (фиг.5А), который является характерным для поверхностного плазмонного резонанса полосы для наночастиц золота 13, 14. Анализ размера частиц, рассчитанный средний размер чтобы быть приблизительно 24 ± 5,4 нм в диameter (5В). Образец 1 Н-ЯМР получали для образцов золотых таким же образом, как серебро (фиг.4С). Координация аминов с сгенерированных наночастиц золота можно видеть дополнительные пики расщепления между 2.45-3.26 б. Эти образцы были также повторно анализировали после одного года и были обнаружены сохранить те же характеристики, что и исходный образец, в котором указано, что они слишком имели хорошую коллоидной стабильности.

Наночастицы палладия были синтезированы таким же образом, как серебро и золото, реакций. Это хорошо известно, что невыразительной спектры получают на производстве Pd-наночастиц; нет наблюдаемой λ макс увеличение UV-VIS спектрометрии с поверхностного плазмонного резонанса (рис 6A), как Pd 0 наночастицы производятся 15, 16, 17. Однако ПЭМ изображения и размер частиц анализ показалчто наночастицы палладия, сортируют по размеру на 1,8 ± 0,56 нм в диаметре (рис 6В), были синтезированы. Образец 1 H ЯМР получали для этого образца, следуя той же препаративных методов, как предыдущие наночастиц (рис 4D). В образцах, согласование аминов с наночастицами Pd 0 может наблюдаться с помощью дополнительных пиков между 2.81-3.26 б.

Рисунок 1
Рисунок 1. Свойства N- (2-аминоэтил) -3-aminosilanetriol (2-AST). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

фигура 2
Рисунок 2. Общая схема синтеза 2-AST стабилизировалась металла пanoparticles. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

Рисунок 3
Рисунок 3. наночастиц серебра. (А) УФ-Вид спектрального анализа серебра реакционной наночастиц смесью при 1-10 разбавления следили в течение долгого времени. (Б) ТЕА томография наночастицы серебра. (C) ИК высушенного раствора наночастиц серебра. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

Рисунок 4
Рисунок 4. ЯМР-спектрометрии. 1Н ЯМР образца раствора в D 2 O. ( (B) наночастицы серебра; (C) наночастицы золота; (D) наночастицы палладия. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

Рисунок 5
Рисунок 5. Золото Наночастицы. (А) УФ-Вид спектрального анализа наночастиц золота реакционной смеси при 1-10 разбавления следили в течение долгого времени. (B) ПЭМ изображений наночастиц золота. (C) ИК высушенного раствора наночастиц золота. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

Рисунок 6 Контролировали Рисунок 6. Палладий Наночастицы. (А) УФ-Вид спектрального анализа палладий наночастиц реакционной смеси при 1-10 разбавления с течением времени. (Б) ТЕА томография наночастиц палладия. (C) ИК высушенного раствора палладия наночастиц. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуре.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Соли, указанные в данном документе, являются только соли, которые были испытаны этого металла. В результате, нет уверенности в том, что эта реакция стратегия будет работать со всеми солей металлов, в частности золота. Растворимость этих солей в воде может также повлиять на исход реакции с точки зрения времени реакции, морфологии и урожайности. Во всех реакциях, силан был добавлен к уже растворенного раствора соли металла.

Стоит отметить, что необходимо соблюдать осторожность, чтобы гарантировать точность для этих реакций требуют небольшой концентрацией солей металлов, которые могут быть гигроскопичен или гигроскопичен 18. Эта проблема была испытана в синтезе наночастиц хлорида золота, как золотые комплексы оборудованы чувствительным и может разлагаться при осталось контакте с воздухом. В попытке улучшить это, хлорид золота хранили в холодильнике до необходимости, а затем удаляется, быстро измеряется и возвращается в холодильной когда завершена. Кроме того, поскольку конденсаторНе используется с реакционного сосуда, следует соблюдать осторожность, чтобы растворитель не испаряется во время фазы нагрева. Вода, используемая в качестве растворителя должно иметь высокую степень чистоты. Загрязнения в растворителе и рН вариаций может повлиять наночастиц образование.

Производство наночастиц золота и серебра происходит в мягких условиях реакции, что очень подходит для этого протокола в промышленных приложениях. Этот метод позволяет создавать наночастицы благородных металлов в водной среде с высокими выходами. Основным преимуществом этого метода является то, что она не требует какого-либо дополнительного восстановителя, который известен усложнять выделение полученных наночастиц, которые могут быть необходимы дополнительные стадии очистки. Ожидается, что этот протокол будет распространяться на другие металлы, а также. Этот метод может также обеспечить проспект, где частицы могут быть вынесено гетерогенным помощью золь методов гель.

Более того, большинство материалов могут быть преобразованы в общеLs через сополимеризации с другими гелеобразования агентов 21. Исследование уже ведется подготовка и анализировать такие гели. Текущие исследования направлены генерации такого нанокомпозита, которая будет интересна для применения в восстановительной гетерогенного катализа.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Там нет конфликтующих финансовых интересов.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol (2-AST) Gelest SIA0590.0 25% in H2O
Silver nitrate Sigma Aldrich S6506
Gold(III) chloride trihydrate Sigma Aldrich 520918
Palladium(II) Nitrate Alfa Aesar 11035
Deuterium Dioxide Cambridge Isotope Laboratories DLM-4-100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Corriu, R. Organosilicon Chemistry and Nanoscience. J Organomet Chem. 686, 32-41 (2003).
  2. Chou, L. Y., Ming, K., Chan, W. Strategies for the intracellular delivery of nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 40 (1), 233-245 (2011).
  3. Richards, R., Bönnemann, H. Synthetic Approaches to Metallic Nanomaterials. Nanofabrication towards Biomedical Applications. , Wiley-VCH. 4-9 (2005).
  4. Bradley, J. Chapter 6, Unit 6.2.2, The Chemistry of Transition Metal Colloids: Synthetic Methods for the Preparation of Colloidal Transition Metals. Clusters and Colloids. Schmid, G. , Wiley-VCH. 469-473 (1994).
  5. Paterer, A., et al. Investigation on the formation of copper zinc tin sulphide nanoparticles from metal salts and dodecanethiol. Mater. Chem. Phys. 149-150, 94-98 (2015).
  6. Yi, D. K., Lee, S. S., Ying, J. Y. Synthesis and Applications of Magnetic Nanocomposite Catalysts. Chem. Mater. 18, 2459-2461 (2006).
  7. Piepenbrock, M. M., Lloyd, G. O., Clarke, N., Steed, J. W. Metal- and Anion-Binding Supramolecular Gels. Chem. Rev. 110, 1960-2004 (2010).
  8. Wu, J. Preparation and Structural Characterization of Novel Nanohybrids by Cationic 3D Silica Nanoparticles Sandwiched between 2D Anionic Montmorillonite Clay through Electrostatic Attraction. J. Phys. Chem. C. 113 (30), 13036-13044 (2009).
  9. Spitalsky, Z. Carbon nanotube-polymer composites: Chemistry, Processing, Mechanical and Electrical Properties. Prog. Polym. Sci. 35, 357-401 (2010).
  10. Link, S., El-Sayed, M. A. Spectral Properties and Relaxation Dynamics of Surface Plasmon Electronic Oscillations in Gold and Silver Nanodots and Nanorods. J. Phys. Chem. B. 103 (40), 8410-8426 (1999).
  11. Fau, P., et al. Monitoring the Coordination of Amine Ligands on Silver Nanoparticles Using NMR and SERS. Langmuir. 31 (4), 1362-1367 (2015).
  12. Patil, H. B., Borse, S. V., Patil, D. R., Patil, U. K., Patil, H. M. Synthesis of silver nanoparticles by microbial method and their characterization. Arch. Phys. Res. 2 (3), 153-158 (2011).
  13. Ghosh, S., Sarma, N., Mandal, M., Kundu, S., Esumi, K., Pal, T. Evolution of gold nanoparticles in micelle by UV-irradiation: A conductometric study. Curr. Sci. 84 (6), 791-795 (2003).
  14. Paul, B., Bhuyan, B., Purkayastha, D. D., Dey, M., Dhar, S. S. Green synthesis of gold nanoparticles using Pogestemon benghalensis (B) O. Ktz leaf extract and studies of their photocatalytic activity in degradation of methylene. Mater. Lett. 148, 37-40 (2015).
  15. Chauhan, B. P. S., Rathore, S. Regioselective Synthesis of Multifunctional Hybrid Polysiloxanes Achieved by Pt-Nanocluster Catalysis. J. Am. Chem. Soc. 127, 5790-5791 (2005).
  16. Chauhan, B. P. S., Rathore, S., Bandoo, T. "Polysiloxane-Pd" Nanocomposites as Recyclable Chemoselective Hydrogenation Catalysts. J. Am. Chem. Soc. 126, 8493-8500 (2004).
  17. Chauhan, B. P. S., Rathore, S., Chauhan, M., Krawicz, A. Synthesis of Polysiloxane Stabilized Palladium Colloids and Evidence of Their Participation in Silaesterification Reactions. J. Am. Chem. Soc. 125, 2876-2877 (2003).
  18. Chauhan, B. P. S., Sardar, R., Tewari, P., Sharma, P. Proceedings of the Third International Workshop on Silicon Containing Polymers, Troy, NY, , 23-25 (2003).
  19. Pouchert, C. J. Non-Aromatic Amines. The Aldrich Library of Infrared Spectra. Pouchert, C. .J. , Aldrich Chemical Company. Wisconsin. (1983).
  20. Arkles, B., et al. Infrared Analysis of Organosilicon Compounds: Spectra-Structure Correlations. Silicon Compounds Register and Review. , (1987).
  21. Corriu, R. J. P. Hypervalent Species of Silicon-structure and Reactivity. J. Organomet. Chem. 400, 81-106 (1990).
  22. Basic Instruction Manual: Hitachi HT7700 TEM. , Tokyo, Japan. 1-28 (2014).
  23. OMNIC User's Guide Version 7.3: Thermo Electron Corporation. , Madison, Wisconsin. 151-216 (2006).

Tags

Химия выпуск 108 нанокомпозит наночастиц функционализированных наночастиц наночастицы стерические стабилизированный самосборка синтез
Генерация нулевой валентностью металлический сердечник наночастиц с использованием N- (2-аминоэтил) -3-aminosilanetriol
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Chauhan, B. P. S., Matam, S.,… More

Chauhan, B. P. S., Matam, S., Johnson, Q. R., Patel, A., Moran, K., Onyechi, B. Generation of Zerovalent Metal Core Nanoparticles Using n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol. J. Vis. Exp. (108), e53507, doi:10.3791/53507 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter