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Chemistry

Génération d'zérovalent Metal Core nanoparticules en utilisant du N- (2-aminoéthyl) -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

Comme la demande et les applications des nanomatériaux concepteur augmente, tout comme les différentes méthodes de synthèse. Les méthodes «top-down», telles que l'ablation laser ou par gravure chimique ont été utilisées pour leur excellente maniabilité et la capacité de résoudre des matériaux fiable jusqu'au niveau sub-micronique. Ces méthodes reposent sur les matériaux en vrac en cours de traitement en composantes fines, ce qui augmente généralement le coût de production que la taille désirée de la nanostructure diminue. Une autre méthode de synthèse de cette approche est la "bottom-up", qui contrôle la synthèse au niveau moléculaire et construit jusqu'à la nanostructure souhaitée. Ceci confère un certain degré de contrôle sur l'auto-assemblage, la fonctionnalité, la passivité, et la stabilité souhaitée dans la génération de ces matériaux nanostructurés 1. En travaillant au niveau moléculaire, nanocomposites hybrides peuvent être générés en fournissant les avantages des deux matériaux dans le même structuré.

Comme nanomatériaux sont synthétisés à travers la stratégie de bas en haut, les méthodes doivent être utilisées pour contrôler la taille des particules, la forme, la texture, l'hydrophobie, la porosité, la charge, et la fonctionnalité 2. La synthèse de nanoparticules d'âme métallique, le sel métallique de départ est réduit dans un processus autocatalytique pour générer des particules de valence zéro, qui à leur tour dirigent la nucléation d'autres particules. Cela conduit à des agrégats, la production a finalement nanoparticule 3. Dans le but de contrôler la taille des nanoparticules créées et les empêcher de se précipiter hors de la solution, des stabilisants tels que des ligands, des agents tensioactifs, des charges ioniques, et les grands polymères sont exploités pour leur capacité à bloquer des nanoparticules à partir de plus d'agglomération 10/04. Ces substances inhibent l'attraction de van der Waals des nanoparticules, soit par l'encombrement stérique dû à la présence de groupes volumineux ou par répulsion coulombiennes 3.

en tson travail, un, un pot, stratégie de synthèse facile pour la génération de diverses nanoparticules de base métallique en utilisant le silane, le N- (2-aminoéthyl) -3-aminosilanetriol (2-AST) est présenté (Figure 1). Des ligands de ce composé sont capables de réduire les précurseurs de métaux et de stabilisation des nanoparticules métalliques avec une efficacité relativement élevée. Les trois groupements silanol présents sont également capables de réticulation, ce qui forme un réseau interconnecté de polymère organosilane imprégnée avec des nanoparticules au sein de sa matrice (figure 2). Contrairement à la plupart des silanes, qui subissent aisément une hydrolyse en présence d'eau, ce composé est stabilisé dans l'eau, ce qui est bénéfique à des fins d'hydrophobicité, la stabilité et le contrôle.

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Protocol

Remarque: Tous les réactifs sont utilisés tels quels du constructeur sans autre purification. Les réactions ont été suivis pendant jusqu'à une semaine par spectroscopie UV-Vis pour assurer une réduction complète. Toutes les réactions sont réalisées sous une hotte de ventilation et les vêtements de protection appropriés, est obligatoire en tout temps, y compris des gants, des lunettes de protection et des blouses de laboratoire.

1. Synthèse de nanoparticules d'argent

  1. Peser 0,0169 g (0,1 mmol) de nitrate d'argent directement dans un flacon d'Erlenmeyer de 50 ml.
  2. Ajouter 20 ml de 18,2 MQ d'eau ultra pure et d'un barreau magnétique. Couvrir flacon avec bouchon pour éviter l'évaporation.
  3. Lieu ballon dans un bain d'huile situé sur une / plaque chauffante d'agitateur et de veiller à ce que la température est maintenue à 60 ° C.
  4. Ajouter lentement 144 ul (0,2 mmol) de 2-AST aide d'une micropipette de précision. Flush pipette à plusieurs reprises dans la solution pour assurer la totalité du silane est transféré dans la solution.
  5. Prenez les lectures de spectroscopie UV-Visselon le protocole figurant à la section 5.
  6. Après 6 h, retirer l'échantillon du bain d'huile et le transférer à un flacon de 20 ml d'échantillon pour le stockage, TEM, FTIR et une analyse plus poussée.
    Remarque: Synthèse des nanoparticules d'or et de palladium suit le même procédé et des quantités stoechiométriques, à l'exception de nanoparticules d'or ayant besoin de 216 ul (0,3 mmol) de 2-AST. La réaction peut continuer à produire des nanoparticules jusqu'à 2 semaines, mais le taux est négligeable par rapport au taux initial.

2. microscope électronique à transmission (MET) Préparation de l'échantillon

  1. Assurez-vous que l'échantillon est refroidi à température ambiante.
  2. Placer une grille de cuivre de formvar revêtu 200 carbone à mailles sur un morceau de papier propre filtre.
  3. L'utilisation d'un 1 ml en plastique pipette Pasteur, coulé goutte environ 60 ml de l'échantillon de nanoparticules directement sur la grille.
  4. Laisser grille à sécher pendant 24 heures avant l'imagerie.
  5. Prendre des images TEM haute résolution avec les conditions suivantes:10 uA de courant et tension d'accélération de 100 kV 22.

3. de résonance magnétique nucléaire (RMN) Préparation de l'échantillon

Remarque: Effectuez RMN à température ambiante. À des températures élevées des signaux peuvent fusionner, ce qui dégrade la qualité des spectres obtenus.

  1. En utilisant une pipette de précision, une pipette 50 ul de dioxyde de deutérium (D 2 O) dans un tube de RMN propre.
  2. Avec une autre pipette de précision propre, une pipette 400 ul d'échantillon de nanoparticules dans le même tube RMN.
    1. Que des échantillons peuvent adhérer aux parois intérieures du tube à RMN, on ajoute lentement les solutions dans le tube RMN. Si l'échantillon ne respecte, plafonner le tube et agiter le haut du tube pour forcer la solution vers le bas.
  3. Mélanger l'échantillon en agitant et à plusieurs reprises inversant le tube RMN.
  4. Placer le tube de l'échantillon dans la RMN suivant des orientations fixées par le protocole RMN fourni par le fabricant. Une hausse de 1000 scans peuvent être nécessaires pour res appropriéesolution dans un programme d'impulsions de RMN du proton H 1.
    Remarque: parois du tube de RMN doivent être propres. Il est recommandé que la paroi extérieure du tube est essuyée avec une microfibre ou un chiffon non pelucheux avant l'analyse pour plus de clarté spectres.
  5. Jeter échantillon lorsque vous avez terminé. Ne pas retourner l'échantillon à la solution mère.

Transformée de Fourier 4. infrarouge (IRTF) Préparation de l'échantillon

  1. Placer 2 ml d'échantillon de nanoparticules dans un petit récipient en verre. A 3 ml tube ou 1 dram flacon en verre fonctionne bien.
  2. Sécher les échantillons en plaçant le récipient en verre dans un dessiccateur à vide munie d'un robinet.
  3. Dessiccateur attacher à un dispositif de pompe à vide. Séchage des échantillons peut prendre quelques heures en fonction de la force de vide. Considérer échantillons secs après il n'y a pas de liquide visible dans le récipient.
  4. Racler l'échantillon à l'aide d'une spatule propre et recueillir des matériaux solides.
  5. Placer la substance solide sur ATR-FTIR spectroscope muni d'un crist ZnSeal laser à diode.
  6. Obtenir des spectres FTIR intégration de 32 balayages entre 4,000-500 cm -1 avec une résolution spectrale de 2,0. Utilisez le fond de l'air 23.

5. UV-Vis Spectroscopy Préparation de l'échantillon

  1. Effectuer la spectroscopie UV-Vis sur des échantillons de nanoparticules qui sont en une à dix dilution de l'échantillon de nanoparticules dans l'eau de sorte que la saturation ne se produit pas dans l'analyse du spectromètre.
  2. Prélever des échantillons de nanoparticules pour UV-Vis alors que la réaction est en marche à intervalles d'une demi-heure.
  3. En utilisant une pipette de précision, retirez 100 pi de matériau de nanoparticules et la placer dans une cuvette en plastique.
  4. Ajouter 1 ml d'eau ultra-pure à la même cuvette et mélanger soigneusement par rinçage de la pipette plusieurs fois.
  5. Enregistrez UV-Vis spectre d'absorption entre 250-800 nm.
  6. Après analyse, ne pas retourner échantillon à réaction. Disposer d'analyte d'une manière appropriée.

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Representative Results

La réaction est suivie par spectrométrie UV-Vis que la formation de nanoparticules devrait produire des pics caractéristiques pour chaque nanoparticule métallique individuelle. L'analyse finale des matériaux synthétisés a été effectuée par TEM et FTIR. Le spectre FTIR a été obtenu à partir de poudre sèche d'échantillons. L'analyse de la taille des particules peut être réalisée en mesurant le diamètre des nanoparticules à partir d'images obtenues par TEM et les résultats de calcul de moyenne.

Complexation des nanoparticules avec deux AST-silane peut être vérifiée avec FTIR la présence de pics caractéristiques de silane et d'aminé fonctionnalités (Figure 3C, 5C, 6C) &. La littérature suggère la présence de liaisons Si-O-Si peut produire absorption infrarouge forte autour de 1000 cm-1 avec des ramifications et des chaînes de polymères étendus élargir ce pic 20. Pics de l'ordre de 1,550-1,650 cm -1 sont attribuées à NH 2 déformation. A modérée NH 2 et NH tronçon wag peuvent être vus à 3,000-2,750 cm -1 et 910-770 cm -1 respectivement 19.

Pour la synthèse de nanoparticules d'argent, les matériaux de départ ont été ajoutés à une solution préchauffée et la réaction a été contrôlée jusqu'à la réduction est terminée. La-Vis UV spectroscopique analyse du produit a montré la formation de nanoparticules d'argent avec un pic de plus en plus à environ 414 nm (figure 3A), qui a suivi les valeurs de la littérature de la résonance de plasmons de surface de nanoparticules d'argent formation 11, 12. La concentration de l'argent nanoparticules augmentée jusqu'à ce que la réduction du sel métallique soit terminée. Après 6 heures de réaction, l'analyse TEM (figure 3B) a confirmé la présence de nanoparticules d'argent. L'analyse granulométrique a montré que la majorité desles nanoparticules sont dans la gamme de taille de 10 ± 2,3 nm. Afin de mieux comprendre le rôle de notre composé de silane, un RT 1 H RMN de la solution de nanoparticules d'argent a été réalisée (figure 4B). On pense que la coordination de l'amine sur des nanoparticules donne lieu à des nouveaux sommets entre 2,73 à 3,40 δ. En outre, les échantillons ont été analysés à nouveau après un an et conservées les mêmes caractéristiques, la vérification de la stabilité des particules.

La réaction avec du chlorure d'or a été effectuée de la même manière que la synthèse de nanoparticules de nitrate d'argent. Dans les échantillons d'or, un pic de plus en plus dans la plage de 533 nm au cours de 6 heures (figure 5A) a été observée, ce qui est caractéristique de la bande de résonance de plasmon de surface de nanoparticules d'or 13, 14. L'analyse granulométrique a calculé la taille moyenne à environ 24 ± 5,4 nm de didiamè- (figure 5B). Un échantillon de 1 H RMN a été préparé pour les échantillons d'or dans la même manière que l'argent (figure 4C). La coordination des amines avec les nanoparticules d'or générés peut être vu par les pics de fractionnement supplémentaires entre 2,45 à 3,26 δ. Ces échantillons ont également été analysés à nouveau après un an et ont été trouvés de conserver les mêmes caractéristiques que l'échantillon initial, qui ont indiqué qu'ils avaient trop bonne stabilité colloïdale.

des nanoparticules de palladium ont été synthétisés de la même manière que les réactions d'argent et d'or. Il est bien connu qu'un spectres sans relief est obtenue lors de la production de Pd-nanoparticules; il n'y a aucune augmentation observable λ max en spectrométrie UV-Vis de résonance plasmonique de surface (Figure 6A) et Pd 0 nanoparticules sont produites 15, 16, 17. Cependant, l'imagerie par TEM et la taille des particules d'analyse indiquésque les nanoparticules de palladium, de taille de 1,8 ± 0,56 nm de diamètre (figure 6B), ont été synthétisés. Un échantillon de 1 H RMN a été préparé pour cet échantillon en suivant les mêmes méthodes de préparation que les nanoparticules précédentes (figure 4D). Dans les échantillons, la coordination des amines avec Pd 0 nanoparticules peut être observée à travers les pics supplémentaires entre 2,81 à 3,26 δ.

Figure 1
Figure 1. Propriétés de N- (2-aminoéthyl) -3-aminosilanetriol (2-AST). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
Figure 2. Schéma général de la synthèse des 2-AST stabilisé métal nanoparticles. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 3
Figure 3. Les nanoparticules d'argent. (A) UV-Vis analyse spectrale du mélange de réaction de nanoparticule d'argent à une dilution de 1 à 10 a été contrôlée au fil du temps. (B) TEM imagerie de nanoparticules d'argent. (C) FTIR de la solution de nanoparticules d'argent séché. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 4
Figure 4. spectrométrie RMN. RMN 1H d'un échantillon de solution dans D 2 O. ( (B) des nanoparticules d'argent; (C) des nanoparticules d'or; (D) des nanoparticules de palladium. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 5
Figure 5. nanoparticules d'or. (A) UV-Vis analyse spectrale du mélange de réaction de nanoparticule d'or à une dilution de 1 à 10 a été contrôlée au fil du temps. (B) TEM imagerie de nanoparticules d'or. (C) FTIR du séchée solution de nanoparticules d'or. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 6 Figure 6. Des nanoparticules de palladium. (A) UV-Vis analyse spectrale du mélange réactionnel de nanoparticules de palladium à une dilution de 1 à 10 a été contrôlée au fil du temps. (B) de formation d'image TEM de nanoparticules de palladium. (C) FTIR du séchée solution de palladium de nanoparticules. S'il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

Sels présentés dans le présent document sont les seuls sels qui ont été testés de ce métal. En conséquence, il est certain que cette stratégie de réaction serait de travailler avec tous les sels des métaux, en particulier l'or. La solubilité de ces sels dans l'eau peut également influer sur le résultat de la réaction en termes de temps de réaction, la morphologie et les rendements. Dans toutes les réactions, le silane a été ajouté à une solution de sel de métal déjà dissoute.

Il est à noter que les soins doivent être prises pour assurer l'exactitude de ces réactions nécessitent une faible concentration de sels métalliques, qui peuvent être hygroscopique ou déliquescent 18. Cette question a été expérimenté dans la synthèse de nanoparticules de chlorure d'or sous forme de complexes d'or sont sensibles à l'air et peuvent se décomposer lorsqu'ils sont laissés à l'air. Dans un effort pour remédier à ce sel de chlorure d'or a été stocké dans un réfrigérateur jusqu'à utilisation, puis retiré, mesurée rapidement et est retourné à froid une fois terminé. En outre, étant donné qu'un condensateur estne sont pas utilisés avec la cuve de réaction, il faut veiller à ce que le solvant ne pas évaporer pendant la phase de chauffage. L'eau utilisée comme solvant doit être de haute pureté. Contaminants dans le solvant et les variations de pH peuvent affecter la formation des nanoparticules.

La production d'or et d'argent des nanoparticules se déroule dans des conditions de réaction douces, ce qui augure bien pour ce protocole dans les applications industrielles. Ce procédé permet de produire des nanoparticules de métaux nobles dans un milieu aqueux avec des rendements élevés. Un avantage majeur de cette méthode est qu'elle ne nécessite aucun agent réducteur supplémentaire, qui est connu pour compliquer l'isolement des nanoparticules résulte que des étapes de purification supplémentaires peuvent être nécessaires. Il est prévu que ce protocole étendra à d'autres métaux ainsi. Cette méthode peut également fournir une avenue où les particules peuvent être rendus hétérogènes par des méthodes de sol-gel.

En outre, la plupart des matériaux peut être converti en gels par copolymérisation avec d'autres agents 21 de gélification. La recherche est déjà en cours pour préparer et analyser ces gels. Les recherches en cours est dirigé vers la création d'un tel nanocomposite, qui sera intéressant pour des applications en catalyse hétérogène recouvrable.

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Disclosures

Il n'y a aucun intérêt financier contradictoires.

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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