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Chemistry

Geração de valência zero Metal Core nanopartículas utilizando N- (2-aminoetil) -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

Como a demanda e aplicações de designer de nanomateriais aumenta, o mesmo acontece com os vários métodos de síntese. Os métodos de "cima para baixo", como a ablação a laser ou ataque químico têm sido empregadas por sua excelente controlabilidade e capacidade de resolver os materiais de forma confiável até o nível sub-micron. Estes métodos baseiam-se em materiais a granel a ser processado em componentes mais finas, que tipicamente aumentam o custo de produção, como o tamanho desejado nanoestrutura diminui. Um método alternativo de síntese para isso é a abordagem "bottom-up", que controla a síntese, a nível molecular e acumula-se à nanoestrutura desejado. Isto confere um grau significativo de controle sobre a auto-montagem desejada, a funcionalidade, a passividade, e estabilidade na geração destes materiais nanoestruturados 1. Ao trabalhar a partir do nível molecular, nanocompósitos híbridos pode ser gerado fornecendo as vantagens de ambos os materiais na mesma estruturé.

Como nanomateriais são sintetizados através da estratégia de baixo para cima, métodos precisam ser empregadas para controlar o tamanho das partículas, forma, textura, hidrofobicidade, porosidade, carga e funcionalidade 2. Na síntese de nanopartículas núcleo de metal, o sal de metal inicial for reduzida em um processo autocatalítico, para gerar partículas de valência zero, o que por sua vez, dirigem a nucleação de outra partícula. Isto leva a agrupamento e produção de nanopartículas, finalmente, 3. Num esforço para controlar o tamanho das nanopartículas criadas e impedi-los de precipitar a partir da solução, estabilizadores, tais como ligantes, agentes tensioactivos, carga iónica, e polímeros grandes são explorados quanto à sua capacidade para bloquear as nanopartículas de outra aglomeração 4-10. Estes materiais inibem a atracção de van der Waals das nanopartículas, quer através de impedimento espacial, devido à presença de grupos volumosos ou através repulsões Coulomb 3.

em tseu trabalho, uma, uma panela, a estratégia de síntese simples para a geração de várias nanopartículas núcleo de metal usando o silano, N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST) é apresentada (Figura 1). Ligandos sobre este composto é capaz de reduzir os precursores de metal e estabilizar as nanopartículas metálicas com uma relativamente alta eficácia. As três porções de silanol presentes também são capazes de ligação cruzada e isto forma uma rede interligada de polímero impregnado com nanopartículas organossilano numa sua matriz (Figura 2). Ao contrário da maioria silanos, que facilmente sujeitos a hidrólise na presença de água, este composto é estabilizado em água, o que é benéfico para fins de hidrofobicidade, estabilidade e controlo.

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Protocol

Nota: Todos os reagentes são utilizados como é do fabricante, sem purificação adicional. As reacções foram monitorizadas por até uma semana por meio de espectroscopia de UV-Vis, para assegurar a redução completa. Todas as reacções são realizadas sob um capuz de ventilação e vestuário de segurança apropriado é usado em todos os momentos, incluindo luvas, óculos de olho, e jalecos.

1. Síntese de nanopartículas de prata

  1. Pesar 0,0169 g (0,1 mmol) de nitrato de prata directamente para um frasco de 50 ml de Erlenmeyer.
  2. Adicionar em 20 ml de 18,2 mohms de água ultrapura e uma barra de agitação magnética. Cobrir garrafa com rolha para evitar a evaporação.
  3. Colocar o balão num banho de óleo situado numa placa de agitação / quente e garantir que a temperatura é mantida a 60 ° C.
  4. Adiciona-se lentamente 144 ul (0,2 mmol) de 2-AST utilizando uma micropipeta de precisão. pipeta Lavar várias vezes em solução para assegurar todo o silano é transferido para a solução.
  5. Fazer leituras de espectroscopia UV-Visde acordo com o protocolo listado na secção 5.
  6. Após 6 h, remover da amostra do banho de óleo e transferir para um frasco de 20 ml da amostra para armazenamento, MET, FTIR e análise adicional.
    Nota: Síntese de nanopartículas de ouro e paládio segue o mesmo método e quantidades estequiométricas com a excepção de nanopartículas de ouro que necessitam de 216 ul (0,3 mmol) de 2-AST. A reação pode continuar a produzir nanopartículas para até 2 semanas, mas a taxa não é significativo em comparação com a taxa inicial.

2. Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM) Preparação de Amostras

  1. Certifique-se de que a amostra foi arrefecida à temperatura ambiente.
  2. Coloque uma grelha de cobre revestido de formvar 200 carbono-mesh em um pedaço de papel limpa filtro.
  3. Usando um 1 ml de plástico Pasteur pipeta, lançou-drop aproximadamente 60 mL da amostra de nanopartículas diretamente na grade.
  4. Permitir grade para secar por 24 horas antes de imagem.
  5. Tome imagens TEM de alta resolução com as seguintes condições:10 mA de corrente e 100 kV tensão de aceleração 22.

3. Ressonância Magnética Nuclear (RMN) Preparação da Amostra

Nota: Execute NMR à temperatura ambiente. A altas temperaturas sinais podem coalescer, o que degrada a qualidade dos espectros obtidos.

  1. Usando uma pipeta de precisão, pipeta 50 ul de dióxido de deutério (D 2 O) para um tubo de RMN limpo.
  2. Com outra pipeta de precisão limpo, pipeta de 400 mL de amostra de nanopartículas para o mesmo tubo de RMN.
    1. Dado que as amostras podem aderir às paredes internas do tubo de RMN, adicionar lentamente soluções no tubo de RMN. Se a amostra não aderem, a tampa do tubo e apertar a parte superior do tubo para forçar a solução para a parte inferior.
  3. Misturar a amostra por agitação e repetidamente invertendo o tubo de RMN.
  4. tubo de amostra lugar na RMN seguindo as instruções estabelecidas pelo protocolo de RMN fornecido pelo fabricante. Uma para cima de 1.000 exames podem ser necessários para res adequadoslução num programa de pulso de NMR de protão 1 h.
    Nota: paredes do tubo NMR devem estar limpas. Recomenda-se que a parede exterior do tubo é limpo com uma microfibra ou um pano sem pêlos antes da análise por espectros de clareza.
  5. Descarte amostra quando terminar. Não devolva amostra a solução-mãe.

4. Fourier Transform Infrared Preparação de Amostras (FTIR) Espectroscopia

  1. Coloque 2 ml de amostra de nanopartículas em um recipiente de vidro pequeno. A 3 tubo ml ou 1 dram frasco de vidro funciona bem.
  2. Secam-se as amostras colocando-se o recipiente de vidro num exsicador de vácuo equipado com uma torneira de passagem.
  3. Anexar exsicador até aparelhos bomba de vácuo. Secagem de amostras pode demorar algumas horas, dependendo da força do vácuo. amostras considerar secar depois não há líquido visível no recipiente.
  4. Raspe a amostra usando uma espátula limpa e recolher materiais sólidos.
  5. Coloque material sólido em ATR-FTIR espectroscópio equipado com um cryst ZnSeai diodo laser.
  6. Obter espectros FTIR integrando 32 varrimentos entre 4,000-500 cm -1 com uma resolução espectral de 2,0. Use o fundo de ar 23.

5. espectroscopia UV-vis Preparação da Amostra

  1. Realizar espectroscopia UV-vis em amostras de nanopartículas que se encontram numa diluição de 9:59 da amostra de nanopartículas à água de modo que a saturação não ocorre na análise espectrómetro.
  2. Retirar amostras de nanopartículas de UV-Vis enquanto que a reacção está sendo executado em intervalos de meia hora.
  3. Usando uma pipeta de precisão, remover 100 ul de material de nanopartículas e colocar numa cuvete de plástico.
  4. Adicionar 1 ml de água ultrapura para a mesma tina e misture bem por liberando a pipeta várias vezes.
  5. UV-Vis espectro de absorção recorde entre 250-800 nm.
  6. Após a análise, não retornam amostra a reação. Dispor de analito de uma maneira apropriada.

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Representative Results

A reacção foi monitorizada através de espectrometria de UV-Vis de formação de nanopartículas deve produzir picos característicos para cada indivíduo nanopartículas metálicas. A análise final dos materiais sintetizados foi realizada através de TEM e FTIR. Os espectros de FTIR foi obtido a partir de pó seco de amostras. A análise do tamanho de partícula pode ser realizada por medição de diâmetro de nanopartículas de imagens obtidas através de TEM e os resultados médios.

A complexação de nanopartículas com silano 2-AST pode ser verificada com FTIR pela presença de picos característicos para funcionalidades de silano e de amina (Figura 3C, 5C, 6C &). A literatura sugere a presença de ligações Si-O-Si pode produzir forte absorção de infravermelho cerca de 1.000 cm -1 com ramificação e cadeias de polímeros estendidos ampliando este pico de 20. Os picos no intervalo de 1,550-1,650 cm'1 são atribuídas aos NH2 deformação. A moderado NH2 estiramento e NH wag pode ser visto no 3,000-2,750 cm -1 e 910-770 cm -1, respectivamente 19.

Para a síntese de nanopartículas de prata, os materiais de partida foram adicionados a uma solução pré-aquecida e a reacção foi monitorizada até que a redução estava completa. A-Vis UV espectroscópica análise do produto mostrou a formação de nanopartículas de prata, com um pico de aumento em cerca de 414 nm (Figura 3A), que seguiu os valores da literatura da ressonância de plasmon de superfície de nanopartículas de prata formação 11, 12. A concentração de prata nanopartículas aumentada até que a redução do sal de metal estava completa. Após 6 horas de reacção, a análise TEM (Figura 3B) confirmou a presença de nanopartículas de prata. A análise do tamanho de partícula mostraram que a maioria dosAs nanopartículas foram na gama de tamanhos de 10 ± 2,3 nm. A fim de melhor compreender o papel do nosso composto de silano, um H RMN RT 1 da solução de prata foi realizada nanopartículas (Figura 4B). Acredita-se que a coordenação da amina para nanopartículas dá origem aos novos picos entre 2,73-3,40 δ. Além disso, as amostras foram re-analisadas novamente após um ano e mantidas as mesmas características, verificando-se a estabilidade das partículas.

A reacção com cloreto de ouro foi levada a cabo da mesma maneira como a síntese de nitrato de prata de nanopartículas. Nas amostras de ouro, foi observado um pico de aumento na gama de 533 nm, ao longo de 6 horas (Figura 5A), que é característico da banda de ressonância de plasmon de superfície para nanopartículas 13, 14. A análise de tamanho de partícula calculado o tamanho médio ser de aproximadamente 24 ± 5,4 nm de diameter (Figura 5B). Uma amostra de 1 H RMN foi preparada para as amostras em ouro da mesma maneira como a prata (Figura 4C). A coordenação das aminas com as nanopartículas de ouro gerados pode ser visto pelos picos de divisão adicionais entre 2,45-3,26 δ. Estas amostras foram também re-analisados ​​após um ano e foram encontrados para reter as mesmas características que a amostra inicial, o que indica que eles também tiveram uma boa estabilidade coloidal.

nanopartículas de paládio foram sintetizados do mesmo modo que as reacções de prata e de ouro. É bem sabido que um espectro de traços característicos é obtido mediante a produção de Pd-nanopartículas; não há nenhum aumento máximo λ observável em espectrometria de UV-Vis de ressonância de plasmon de superfície (Figura 6A) como Pd 0 nanopartículas são produzidos 15, 16, 17. No entanto, a imagem TEM e análise do tamanho de partícula indicadoque as nanopartículas de paládio, dimensionadas em 1,8 ± 0,56 nm de diâmetro (Figura 6B), foram sintetizados. Uma amostra de 1 H RMN foi preparado por este exemplo seguindo os mesmos processos preparativos como as nanopartículas anteriores (Figura 4D). Nas amostras, a coordenação de aminas com Pd 0 nanopartículas podem ser observados através dos picos adicionais entre 2,81-3,26 δ.

figura 1
Figura 1. Propriedades de N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST). Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Esquema geral da síntese de 2-AST estabilizado de metal nanoparticles. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. As nanopartículas de prata. (A) de UV-Vis análise espectral de mistura de reacção de nanopartículas de prata, a uma diluição 1-10 foi monitorizada ao longo do tempo. (B) imagem TEM de nanopartículas de prata. (C) FTIR da solução de prata nanopartículas secas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. RMN Espectrometria. 1 H NMR da amostra de solução em D 2 O. ( (B) nanopartículas de prata; (C) nanopartículas de ouro; (D) nanopartículas de paládio. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5
Figura 5. Nanopartículas de Ouro. (A) de UV-Vis análise espectral de mistura de reacção de nanopartículas de ouro com uma diluição 1-10 foi monitorizada ao longo do tempo. (B) de imagem TEM de nanopartículas de ouro. (C) FTIR da solução de nanopartículas de ouro seco. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6 Figura 6. Nanopartículas de paládio. (A) de UV-Vis análise espectral de mistura de reacção de nanopartículas de paládio a uma diluição 1-10 foi monitorizada ao longo do tempo. (B) imagem TEM de nanopartículas de paládio. (C) FTIR de solução de paládio nanopartículas secas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Sais relatados neste trabalho são as únicas sais que foram testados desse metal. Como resultado, não é certo que esta estratégia reacção iria trabalhar com todos os sais de metais, particularmente ouro. A solubilidade destes sais em água podem também afectar o resultado da reacção em termos de tempo de reacção, morfologia, e os rendimentos. Em todas as reacções, o silano foi adicionado a uma solução de sal de metal já dissolvido.

É importante notar que é preciso ter cuidado para garantir a precisão para estas reacções necessitam de uma pequena concentração de sais de metais, que podem ser higroscópicos ou deliquescentes 18. Esta questão foi experimentado na síntese de nanopartículas de cloreto de ouro como complexos de ouro são sensíveis o ar e podem se decompor quando deixado exposto ao ar. Num esforço para aliviar este, sal de cloreto de ouro foi armazenada num frigorífico até ser necessário e, em seguida, removido, medido e rapidamente retornada à refrigeração quando completa. Além disso, uma vez que é um condensadorNão é usado com o recipiente de reacção, deve ser tomado cuidado de que o solvente não se evapora durante a fase de aquecimento. A água utilizada como o solvente deve ser de elevada pureza. Os contaminantes em variações de solvente e de pH pode afectar a formação de nanopartículas.

A produção de nanopartículas de ouro e prata ocorre sob condições de reacção suaves, que abre boas perspectivas para este protocolo em aplicações industriais. Este método permite uma para produzir nanopartículas de metais nobres, em meio aquoso, com rendimentos elevados. Uma grande vantagem deste método é que não requer qualquer agente de redução adicional, que é conhecida para complicar o isolamento da resultante como nanopartículas passos adicionais de purificação podem ser necessários. Espera-se que este protocolo irá estender-se a outros metais, bem. Este método pode também proporcionar uma via em que as partículas podem ser tornadas heterogénea através de métodos de sol-gel.

Além disso, a maior parte dos materiais pode ser convertido para GEls através de copolimerização com outros agentes de gelificação 21. A investigação está em andamento para preparar e analisar esses géis. A pesquisa em curso é dirigida para a geração de um tal nanocompósito, o que irá ser interessante para aplicações em catálise heterogénea recuperável.

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Disclosures

Não há interesses financeiros conflitantes.

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

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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).

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