Name: Synteza wolnych od ligandów nanocząstek CdS w matrycy kopolimeru siarki (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-01T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 15 s
Description: Poznaj metodę syntezy wolnych od ligandów nanocząstek CdS w matrycy kopolimeru siarki. Technika ta umożliwia łatwe modyfikacje powierzchniowe i znajduje zastosowanie w elektronice oraz fotonice.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy chcieliby podziękować stanowi Waszyngton za wsparcie tych badań poprzez Program Stypendialny Instytutu Czystej Energii Uniwersytetu Waszyngtońskiego oraz nagrodę National Science Foundation (NSF) Sustainable Energy Pathway (SEP) CHE-1230615.

Uwaga: Prekursory kadmu są wysoce toksyczne i należy obchodzić się z nimi bardzo ostrożnie. Nosić odpowiedni sprzęt ochronny, stosować odpowiednie kontrole inżynieryjne i zapoznać się z odpowiednimi kartami charakterystyki substancji niebezpiecznych (MSDS). Ponadto powstawanie nanocząstek może stwarzać dodatkowe zagrożenia. Opisane tu reakcje są przeprowadzane za pomocą standardowego próżniowego kolektora gazowego, w celu przeprowadzenia eksperymentów w atmosferze obojętnej. Wszystkie chemikalia zostały zakupione komercyjnie i używane w takim stanie, w jakim zostały otrzymane. Protokół ten opiera się na wcześniej opracowanej metodzie syntetycznej, którą niedawno opisaliśmy w innym miejscu. 5
1. Synteza kopolimeru siarki
<ol>
	<li>Przygotowanie stopionej siarki elementarnej
	<ol>
		<li>Umieścić siarkę elementarną (4 g, 124,8 mmol, S8, 99,5%) w kolbie trójszyjkowej o pojemności 50 ml z dołączonym kondensatorem i sondą temperatury. Kilkakrotnie wykonaj cykle pompy i przedmuchiwania z próżnią i azotem.</li>
		<li>Podgrzać pod azotem do 150 °C z mieszaniem, co spowoduje, że siarka stanie się cieczy o żółtym zabarwieniu.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przygotowanie kopolimeru siarki
	<ol>
		<li>Gdy cała siarka rozpuści się w cieczy, natychmiast wstrzyknąć α-metylostyren (330 μl, 2,5 mmol, 99%) do roztworu.</li>
		<li>Podgrzewać roztwór do temperatury 185 °C, mieszając przy 500 obr./min przez 10 min. W miarę tworzenia się kopolimeru roztwór zmieni kolor z żółtego na pomarańczowy, ostatecznie wytwarzając głęboki czerwony kolor.</li>
		<li>Usuń roztwór z ognia i ostudź do temperatury pokojowej. W miarę ochładzania kopolimer będzie powoli krystalizował, tworząc pomarańczowe, gumowate ciało stałe. Na tym etapie kopolimer może być przechowywany w temperaturze pokojowej do późniejszej syntezy lub może być natychmiast zużyty.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Synteza nanocząstek CdS
<ol>
	<li>Dodać acetyloacetonian kadmu (Cd(acac), 900 mg, 2,9 mmol, 99,9%) do kolby z trzema szyjkami z poprzedniego etapu, tak aby proszek został równomiernie umieszczony na wierzchu stałego kopolimeru siarki (4,0 g, 116 mmol).</li>
	<li>Wykonać cykle pompowania i przedmuchiwania kolby azotem i kilkakrotnie odkurzyć.</li>
	<li>Podgrzać roztwór do temperatury 200 °C w atmosferze azotu, mieszając. Kopolimer siarki stopi się i zmiesza z prekursorem kadmu, a procesy zarodkowania i wzrostu nanocząstek rozpoczną się.</li>
	<li>Pozwól nanocząstkom rosnąć przez 30 min. 
	Uwaga: Zmiana czasu reakcji wpłynie na wzrost nanocząstek, dzięki czemu możliwe jest dostrojenie ostatecznego rozmiaru nanocząstek. 5 Czas reakcji wynosi 30 minut w zakresie wielkości 7-10 nm. 5</li>
	<li>Zdejmij roztwór z ognia i pozostaw do ostygnięcia do temperatury pokojowej.</li>
	<li>Po schłodzeniu wyjąć stały nanokompozyt z kolby i przechowywać w temperaturze pokojowej.</li>
</ol>
3. Usuń kopolimer siarki i wyizoluj nanocząstki 
<ol>
	<li>Usuwanie kopolimeru siarki
	<ol>
		<li>Umieścić nanokompozyt (200 mg) w szklanej fiolce o pojemności 20 ml i dodać chloroform (20 ml).</li>
		<li>Umieść fiolkę w ultrasonografie i poddaj soniku przez 1 godzinę, aby rozbić nanokompozyt i zawiesić nanocząstki w roztworze.</li>
		<li>Rozdzielić roztwór na dwie probówki wirówkowe o pojemności 30 ml i dodać do każdej z nich kolejne 20 ml chloroformu.</li>
		<li>Odwirować roztwór przy stężeniu 8,736 x g (względna siła odśrodkowa) przez 15 minut.</li>
		<li>Zdekantować kopolimer siarki z probówek wirówkowych, uważając, aby nie naruszyć osadzonych nanocząstek.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Izolacja nanocząstek
	<ol>
		<li>Ponownie rozproszyć osadzone nanocząstki, dodając chloroform do każdej probówki wirówkowej (30 ml) i sonikować przez 15 minut.</li>
		<li>Powtórzyć czynności opisane w sekcjach 3.1.4, 3.1.5 i 3.2.1 jeszcze trzy razy, aby upewnić się, że cały kopolimer siarki został usunięty. Po usunięciu całego kopolimeru siarki zdekantowany roztwór nie będzie już miał pomarańczowego koloru.</li>
		<li>Zebrać końcowe nanocząstki, dodając chloroform (2 ml) do każdej probówki wirówkowej.</li>
		<li>Połączyć zebrane nanocząstki w jednej szklanej fiolce o pojemności 20 ml (łącznie 4 ml roztworu) i umieścić szklaną fiolkę w próżni w celu usunięcia całego chloroformu i wysuszenia nanocząstek. Na tym etapie można określić masę powstałych nanocząstek i porównać ją z masą wyjściową prekursorów w celu określenia wydajności reakcji za pomocą stosunków molowych materiału wyjściowego i produktu.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Charakterystyka nanocząstek CdS
<ol>
	<li>Transmisyjna mikroskopia elektronowa
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć wyizolowane nanocząstki (20 mg) w chloroformie (20 ml) i ultradźwiękami przez 1 godzinę.</li>
		<li>Rozcieńczyć ten roztwór w chloroformie (5 kropli/5 ml) i poddać sonikacji przez 15 minut.</li>
		<li>Upuść końcowy roztwór na ultracienkie podłoże z filmu węglowego z dziurawymi foliami węglowymi na siatce miedzianej mikroskopii elektronowej (TEM) o siatce 400.</li>
		<li>Umieścić siatkę TEM w szklanej fiolce i trzymać w próżni przez noc, aby usunąć wszelkie pozostałości rozpuszczalnika z próbki.</li>
		<li>Po zakończeniu suszenia należy uzyskać obrazy TEM za pomocą napięcia przyspieszającego 200 kV, plamki o wielkości 3 i dołączonego detektora spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii (EDS).</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Dyfrakcja promieniowania rentgenowskiego
	<ol>
		<li>Rozcieńczyć wyizolowane nanocząstki w chloroformie (10 mg/ml).</li>
		<li>Podłoża ze szkła sodowo-wapniowego pokrytego molibdenem (1 cm2) należy oczyścić przez sonikację w detergencie, wodzie dejonizowanej, acetonie i alkoholu izopropylowym, każdy przez 10 minut. Na koniec wyczyść podłoża w urządzeniu do czyszczenia plazmą powietrzną przez 10 minut przed odlewaniem kroplowym.</li>
		<li>Odlewać roztwór z 4.2.1 na podłoża z 4.2.2 w odstępach co 7 μl.</li>
		<li>Po wyschnięciu folii uzyskaj dane dyfrakcji rentgenowskiej (XRD). Zbieraj dane za pomocą 7 000 punktów danych z szybkością skanowania 1 punktu danych na sekundę ze źródłem promieniowania rentgenowskiego Cu-Kα i długością fali padającej 1,54059 A.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Spektroskopia roztworów
	<ol>
		<li>Rozproszyć wyizolowane nanocząstki (0,1 mg/ml) w chloroformie i sonikować przez 30 minut, a następnie umieścić próbki w szczelnie zamkniętej kuwecie kwarcowej.</li>
		<li>Zdyspergować nanokompozyt z sekcji 2.6 i kopolimer siarki z sekcji 1.2.3 w formamidzie (1 mg/ml), mieszać z prędkością 700 obr./min i podgrzać do temperatury 70 °C, aby ułatwić zawieszenie materiału.</li>
		<li>Uzyskaj widma fotoluminescencji (PL) i absorbancji dla wszystkich trzech próbek. Przeprowadzaj pomiary absorbancji optycznej za pomocą spektrometru z potrójnym detektorem, który rozciąga się w zakresie ultrafioletu, światła widzialnego i bliskiej podczerwieni (UV-Vis-NIR). Przeprowadzać pomiary PL za pomocą spektrofotometru fluorescencyjnego o długości fali wzbudzenia 330 nm. 
		UWAGA: Szczegółowy protokół charakteryzowania nanocząstek przy użyciu technik omówionych w sekcjach 4.1.5, 4.2.4 i 4.3.2 różni się znacznie w zależności od charakteru konkretnego używanego sprzętu, dlatego przedstawiamy tutaj tylko ogólne parametry charakterystyki. Zainteresowanego czytelnika odsyłamy do kilku prac przeglądowych w celu uzyskania dalszych informacji na temat stosowania tych technik analizy nanocząstek CdS. 17-19</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Rosen, E. L., Buonsanti, R., Llordes, A., Sawvel, A. M., Milliron, D. J., Helms, B. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Exceptionally+Mild+Reactive+Stripping+of+Native+Ligands+from+Nanocrystal+Surfaces+by+Using+Meerwein%27s+Salt%5BTitle%5D)+AND+%22Angew.+Chemie+Int.+Ed%22%5BJournal%5D)">Exceptionally Mild Reactive Stripping of Native Ligands from Nanocrystal Surfaces by Using Meerwein's Salt.</a> Angew. Chemie Int. Ed. 51 (3), 684-689 (2012).</li>
<li>Anderson, N. C., Hendricks, M. P., Choi, J. J., Owen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ligand+exchange+and+the+stoichiometry+of+metal+chalcogenide+nanocrystals%3A+spectroscopic+observation+of+facile+metal-carboxylate+displacement+and+binding%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Ligand exchange and the stoichiometry of metal chalcogenide nanocrystals: spectroscopic observation of facile metal-carboxylate displacement and binding.</a> J. Am. Chem. Soc. 135 (49), 18536-18548 (2013).</li>
<li>Owen, J. S., Park, J., Trudeau, P. E., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reaction+chemistry+and+ligand+exchange+at+cadmium-selenide+nanocrystal+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Reaction chemistry and ligand exchange at cadmium-selenide nanocrystal surfaces.</a> J. Am. Chem. Soc. 130 (37), 12279-12281 (2008).</li>
<li>Lokteva, I., Radychev, N., Witt, F., Borchert, H., Parisi, J., Kolny-Olesiak, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+Treatment+of+CdSe+Nanoparticles+for+Application+in+Hybrid+Solar+Cells%3A+The+Effect+of+Multiple+Ligand+Exchange+with+Pyridine%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Surface Treatment of CdSe Nanoparticles for Application in Hybrid Solar Cells: The Effect of Multiple Ligand Exchange with Pyridine.</a> J. Phys. Chem. C. 114 (29), 12784-12791 (2010).</li>
<li>Martin, T. R., Mazzio, K. A., Hillhouse, H. W., Luscombe, C. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sulfur+copolymer+for+the+direct+synthesis+of+ligand-free+CdS+nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Commun%22%5BJournal%5D)">Sulfur copolymer for the direct synthesis of ligand-free CdS nanoparticles.</a> Chem. Commun. 51 (56), 11244-11247 (2015).</li>
<li>Chung, W. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+elemental+sulfur+as+an+alternative+feedstock+for+polymeric+materials%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Chem%22%5BJournal%5D)">The use of elemental sulfur as an alternative feedstock for polymeric materials.</a> Nat. Chem. 5 (6), 518-524 (2013).</li>
<li>Nag, A., Kovalenko, M. V., Lee, J. -S., Liu, W., Spokoyny, B., Talapin, D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal-free+Inorganic+Ligands+for+Colloidal+Nanocrystals+S2-%2C+HS-%2C+Se2-%2C+HSe-%2C+Te2-%2C+HTe-%2C+TeS32-%2C+OH-%2C+and+NH2-+as+Surface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Metal-free Inorganic Ligands for Colloidal Nanocrystals S2-, HS-, Se2-, HSe-, Te2-, HTe-, TeS32-, OH-, and NH2- as Surface.</a> J. Am. Chem. Soc. 133 (27), 10612-10620 (2011).</li>
<li>Dong, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+generalized+ligand-exchange+strategy+enabling+sequential+surface+functionalization+of+colloidal+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">A generalized ligand-exchange strategy enabling sequential surface functionalization of colloidal nanocrystals.</a> J. Am. Chem. Soc. 133 (4), 998-1006 (2011).</li>
<li>Cossairt, B. M., Juhas, P., Billinge, S., Owen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+the+Surface+Structure+and+Optical+Properties+of+CdSe+Clusters+Using+Coordination+Chemistry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+Lett%22%5BJournal%5D)">Tuning the Surface Structure and Optical Properties of CdSe Clusters Using Coordination Chemistry.</a> J. Phys. Chem. Lett. 2 (4), 3075-3080 (2011).</li>
<li>Lee, E., Park, S. J., Cho, J. W., Gwak, J., Oh, M. -K., Min, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nearly+carbon-free+printable+CIGS+thin+films+for+solar+cell+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Sol.+Energy+Mater.+Sol.+Cells%22%5BJournal%5D)">Nearly carbon-free printable CIGS thin films for solar cell applications.</a> Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 95 (10), 2928-2932 (2011).</li>
<li>Bucherl, C. N., Oleson, K. R., Hillhouse, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin+film+solar+cells+from+sintered+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Opin.+Chem.+Eng%22%5BJournal%5D)">Thin film solar cells from sintered nanocrystals.</a> Curr. Opin. Chem. Eng. 2 (2), 168-177 (2013).</li>
<li>Cai, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticle-induced+grain+growth+of+carbon-free+solution-processed+CuIn%28S%2CSe%292+solar+cell+with+6%25+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Appl.+Mater.+Inter%22%5BJournal%5D)">Nanoparticle-induced grain growth of carbon-free solution-processed CuIn(S,Se)2 solar cell with 6% efficiency.</a> ACS Appl. Mater. Inter. 5 (5), 1533-1537 (2013).</li>
<li>Zhou, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CZTS+nanocrystals%3A+a+promising+approach+for+next+generation+thin+film+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">CZTS nanocrystals: a promising approach for next generation thin film photovoltaics.</a> Energy Environ. Sci. 6 (10), 2822-2838 (2013).</li>
<li>Polizzotti, A., Repins, I. L., Noufi, R., Wei, S. -H., Mitzi, D. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+state+and+future+prospects+of+kesterite+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Energy+Environ.+Sci%22%5BJournal%5D)">The state and future prospects of kesterite photovoltaics.</a> Energy Environ. Sci. 6 (11), 3171-3182 (2013).</li>
<li>Suehiro, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solution-Processed+Cu2ZnSnS4+Nanocrystal+Solar+Cells%3A+Efficient+Stripping+of+Surface+Insulating+Layers+using+Alkylating+Agents%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+C%22%5BJournal%5D)">Solution-Processed Cu2ZnSnS4 Nanocrystal Solar Cells: Efficient Stripping of Surface Insulating Layers using Alkylating Agents.</a> J. Phys. Chem. C. 118 (2), 804-810 (2013).</li>
<li>Graeser, B. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Synthesis+of+%28CuInS2%290.5%28ZnS%290.5+Alloy+Nanocrystals+and+Their+Use+for+the+Fabrication+of+Solar+Cells+via+Selenization%5BTitle%5D)+AND+%22Chem.+Mater%22%5BJournal%5D)">Synthesis of (CuInS2)0.5(ZnS)0.5 Alloy Nanocrystals and Their Use for the Fabrication of Solar Cells via Selenization.</a> Chem. Mater. 26 (14), 4060-4063 (2014).</li>
<li>Yin, Y., Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Colloidal+nanocrystal+synthesis+and+the+organic-inorganic+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Colloidal nanocrystal synthesis and the organic-inorganic interface.</a> Nature. 437 (7059), 664-670 (2005).</li>
<li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Semiconductor+Clusters%2C+Nanocrystals%2C+and+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots.</a> Science. 271 (5251), 933-937 (1996).</li>
<li>Alivisatos, A. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Perspectives+on+the+Physical+Chemistry+of+Semiconductor+Nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem%22%5BJournal%5D)">Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals.</a> J. Phys. Chem. 100 (95), 13226-13239 (1996).</li>
<li>Xiao, Q., Xiao, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-defect-states+photoluminescence+in+CdS+nanocrystals+prepared+by+one-step+aqueous+synthesis+method%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Surface-defect-states photoluminescence in CdS nanocrystals prepared by one-step aqueous synthesis method.</a> Appl. Surf. Sci. 255 (16), 7111-7114 (2009).</li>
<li>Zhang, J. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfacial+Charge+Carrier+Dynamics+of+Colloidal+Semiconductor+Nanoparticles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Interfacial Charge Carrier Dynamics of Colloidal Semiconductor Nanoparticles.</a> J. Phys. Chem. B. 104 (31), 7239-7253 (2000).</li>
<li>Joswig, J. -O., Springborg, M., Seifert, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Structural+and+Electronic+Properties+of+Cadmium+Sulfide+Clusters%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Phys.+Chem.+B%22%5BJournal%5D)">Structural and Electronic Properties of Cadmium Sulfide Clusters.</a> J. Phys. Chem. B. 104 (12), 2617-2622 (2000).</li>
<li>Unni, C., Philip, D., Gopchandran, K. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Studies+on+optical+absorption+and+photoluminescence+of+thioglycerol-stabilized+CdS+quantum+dots%5BTitle%5D)+AND+%22Spectrochim.+Acta.+A.+Mol.+Biomol.+Spectrosc%22%5BJournal%5D)">Studies on optical absorption and photoluminescence of thioglycerol-stabilized CdS quantum dots.</a> Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 71 (4), 1402-1407 (2008).</li>
</ol>

Autorzy nie ujawniają żadnych konkurencyjnych interesów finansowych.

Opracowaliśmy metodę syntezy nanocząstek CdS w osnowie kopolimeru siarki. Ten kopolimer siarki składa się z siarki elementarnej i metylostyrenu. 5 Ważną cechą tej metody jest to, że kopolimer może być stosowany zarówno jako rozpuszczalnik wysokotemperaturowy, jak i źródło siarki, która reaguje z prekursorem kadmu, tworząc nanocząstki CdS w roztworze. 5 Krytycznym etapem procedury jest synteza kopolimeru siarki z odpowiednim stosunkiem metylostyrenu i siarki. Zastosowanie metylostyrenu i w odpowiedni...

Chociaż udowodniono, że konwencjonalne ligandy alifatyczne są przydatne do syntezy, stwarzają szereg wyzwań dla implementacji nanocząstek w urządzeniach fotonicznych i elektrochemicznych. Ligandy alifatyczne są wysoce izolacyjne, hydrofobowe i stanowią istotną barierę dla elektrochemicznych reakcji powierzchniowych. 1 W związku z tym w kilku badaniach opracowano protokoły wymiany ligandów i usuwania ligandów, które zastępują te alifatyczne ligandy funkcjonalnymi ugrupowaniami lub usuwają ligandy, odsłaniając nagą powierzchnię nanocząstek. 1-3 Reakcje te stwarzają jednak kilka nieodłącznych problemów. Znacznie zwiększają one złożoność procesu syntezy, nie zawsze prowadzą do ukończenia i mogą pogorszyć powierzchnię nanocząstek, co z kolei może powodować poważne problemy podczas produkcji urządzenia przy użyciu tych technik. 4
Opracowaliśmy kopolimer siarki, który może być używany zarówno jako rozpuszczalnik wysokotemperaturowy, jak i źródło siarki podczas syntezy nanocząsteczek CdS. 5 Kopolimer ten oparty jest na kopolimerze sieciowym opracowanym przez Chunga i wsp., który wykorzystuje siarkę elementarną i 1,3-diizopropenylobenzen (DIB). 6 W naszym przypadku zamiast DIB zastosowano monomer metylostyrenu. Monomer metylostyrenu ogranicza reakcje sieciowania, które w przeciwnym razie wytworzyłyby kopolimer sieciowy o dużej masie cząsteczkowej. 5,6 Obecność tylko jednej winylowej grupy funkcyjnej na monomerze metylostyrenu sprzyja tworzeniu się rodników oligomerycznych po podgrzaniu, co pozwala kopolimerowi siarki działać równolegle jako ciekły rozpuszczalnik i źródło siarki podczas syntezy nanocząstek. 5 W szczególności polimer siarki jest wytwarzany przez podgrzanie siarki elementarnej do 150 °C, co powoduje przejście pierścieni S8 w liniowo ustrukturyzowaną ciekłą formę dwurodnika siarki. Następnie metylostyren jest wstrzykiwany do ciekłej siarki w stosunku molowym 1:50 cząsteczek metylostyrenu do atomów siarki. 5 Podwójne wiązanie metylostyrenu reaguje z łańcuchami siarki, tworząc kopolimer, jak pokazano na rysunku 1. 5 Kopolimer siarki jest następnie schładzany i dodawany jest prekursor kadmu. Mieszanina ta jest następnie ponownie podgrzewana do temperatury 200 °C, podczas której kopolimer siarki topi się, a w roztworze inicjowane są procesy zarodkowania i wzrostu nanocząstek. 5 Stosuje się stosunek molowy siarki do prekursora kadmu wynoszący 20:1, tak że podczas reakcji zużywana jest tylko część siarki. 5 Kopolimer ten stabilizuje nanocząstki, zawieszając je w stałej matrycy polimerowej po zakończeniu reakcji. 5 Kopolimer można usunąć po syntezie, w wyniku czego powstają nanocząstki CdS, które nie mają organicznych ligandów koordynujących, jak pokazano na rysunku 2. 5
Metoda syntetyczna przedstawiona w tej pracy jest stosunkowo prosta w porównaniu z innymi metodami przedstawionymi w literaturze. 1-3,7 Ma zastosowanie w różnorodnym zakresie zastosowań, w których tradycyjne ligowane nanocząstki okazały się problematyczne lub niepożądane. Technika ta może otworzyć drzwi do testów o wyższej przepustowości, w których jedna partia nanocząstek może być wykorzystana do zbadania pełnego spektrum kolejnych funkcjonalizacji bez konieczności stosowania skomplikowanych i czasochłonnych procedur usuwania lub wymiany ligandów. 2,4,8,9 Te nieligowane nanocząstki dają również możliwość zmniejszenia liczby defektów węgla powszechnie obserwowanych w drukowanych urządzeniach nanocząsteczkowych, poprzez wyeliminowanie źródła węgla. 10-16 Ten szczegółowy protokół ma na celu pomóc innym we wdrażaniu tej nowej metody i zachęcić do jej aktywnego stosowania w różnych dziedzinach, dla których będzie ona miała szczególne znaczenie.

<table><tbody><tr><td>Siarka (S8), 99,5%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>84683</td><td></td></tr><tr><td>&alfa;-metylostyren), 99%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>M80903</td><td></td></tr><tr><td>acetyloacetonian kadmu (Cd(acac)), 99,9%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>517585</td><td>wysoce toksyczny</td></tr><tr><td>chloroform (CHCl3), 99,5%</td>Płyta grzejna <td>Sigma Aldrich</td><td>C2432</td><td></td></tr><tr><td>/ mieszadło magnetyczne</td><td>IKA RCT&nbsp;</td><td></td><td></td>3810001</tr><tr><td>Regulator temperatury z sondą i płaszczem grzewczym</td><td>Oakton Temp 9000</td><td>WD-89800</td><td></td></tr><tr><td>Wirówka</td><td>Beckman Coulter Allegra X-22</td><td>392186</td><td></td></tr><tr><td>Probówki wirówkowe</td><td>Thermo Scientific</td><td>3114</td><td>Teflon zapewniający odporność na chlorowane rozpuszczalniki</td></tr><tr><td>TEM z dołączonym detektorem</td><td>EDS FEI Tecnai G2 F-20 z detektorem</td><td></td><td></td> EDAX</tr><tr><td>TEM Sample Grid</td><td>Ted Pella</td><td>1824</td><td>Ultracienkie podłoże z folii węglowej z dziurawymi foliami nośnymi z włókna węglowego na siatce miedzianej o siatce 400</td></tr><tr><td>XRD</td> Dyfraktometr <td></td><td></td><td>Bruker F-8 Focus Podłoża</td></tr> ze <tr><td>szkła sodowo-wapniowego pokrytego molibdenem Warstwa</td><td></td><td></td><td>molibdenu o grubości 750 nm</td></tr><tr><td>Kuwety kwarcowe fluorescencyjne</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z803073</td><td>10 mm na 10 mm, 4 polerowane boki z zakrętką</td></tr><tr><td>UV-Vis-NIR</td><td>Spektrometr Perkin Elmer Lambda 1050</td><td>z modułem detektora 3D WB</td>Spektrofotometr fluorescencyjny PL Horiba FL3-21tau <td></td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

synteza wolnych od ligandów nanocząstek cds w matrycy kopolimeru siarki

Synthesis of Ligand-free CdS Nanoparticles within a Sulfur Copolymer Matrix

Alifatyczne ligandy są zazwyczaj używane podczas syntezy nanocząstek, aby pomóc w ich wzroście, oprócz działania jako rozpuszczalniki wysokotemperaturowe. Te koordynujące ligandy pomagają rozpuszczać i stabilizować nanocząstki w roztworze i mogą wpływać na wynikową wielkość i reaktywność nanocząstek podczas ich tworzenia. Pomimo wszechobecności stosowania ligandów podczas syntezy, obecność ligandów alifatycznych na powierzchni nanocząstek może powodować szereg problemów podczas końcowego wykorzystania nanocząstek, co wymaga dalszych procedur usuwania ligandów lub wymiany ligandów. Opracowaliśmy sposób syntezy nanocząstek siarczku kadmu (CdS) przy użyciu unikalnego kopolimeru siarki. Ten kopolimer siarki składa się głównie z siarki elementarnej, która jest tanim i obfitym materiałem. Kopolimer siarki ma tę zaletę, że działa zarówno jako rozpuszczalnik wysokotemperaturowy, jak i jako źródło siarki, która może reagować z prekursorem kadmu podczas syntezy nanocząstek, w wyniku czego powstają CdS wolne od ligandów. Podczas reakcji tylko część kopolimeru jest zużywana do wytworzenia CdS, podczas gdy reszta pozostaje w stanie polimerowym, tworząc w ten sposób materiał nanokompozytowy. Po zakończeniu reakcji kopolimer stabilizuje nanocząstki w stałej matrycy polimerowej. Kopolimer można następnie usunąć przed użyciem nanocząstek, co powoduje powstanie nanocząstek, które nie mają organicznych ligandów koordynujących. Ta rodząca się technika syntezy przedstawia metodę wytwarzania nanocząstek siarczku metalu do szerokiej gamy zastosowań, w których obecność ligandów organicznych nie jest pożądana.

Obraz TEM na ryc. 3a przedstawia małe nanocząstki CdS (3–4 nm), które uległy nukleacji wewnątrz kopolimeru siarkowego przed całkowitym usunięciem kopolimeru siarkowego. Obraz na ryc. 3a uzyskano, pobierając próbkę roztworu nanocząstek bezpośrednio po osiągnięciu przez roztwór temperatury 200 °C. Figure 3b pokazuje większe nanocząstki (7–10 nm), które rosły w roztworze przez 30 minut przed całkowitym usunięciem kopolimeru siarkowego. Figure 3c przedstawia...

Tutaj prezentujemy metodę syntezy nanocząstek siarczku kadmu bez ligandów (CdS) opartego na unikalnym kopolimerze siarki. Kopolimer siarki działa jako rozpuszczalnik wysokotemperaturowy i źródło siarki podczas syntezy nanocząstek i stabilizuje nanocząstki po reakcji.

Synteza wolnych od ligandów nanocząstek CdS w matrycy kopolimeru siarki

Aliphatic ligands are typically used during the synthesis of nanoparticles to help mediate their growth in addition to operating as high-temperature ...

Ogólnym celem tej metody syntezy jest wykorzystanie kopolimeru siarki do wytworzenia nanocząsteczek siarczku kadmu. Metoda ta może stanowić drogę dla badaczy do opracowania nowych reakcji modyfikacji powierzchni nanocząsteczek. Główną zaletą tej techniki jest to, że umożliwia ona łatwą syntezę nanocząsteczek, które nie posiadają konwencjonalnych ligandów alifatycznych.Ta metoda syntezy może być użyteczna w wielu dziedzinach, w których konwencjonalne ligandy nanocząsteczek mogą być trudne do usunięcia, wymiany lub mogą blokować reakcje powierzchniowe. Procedurę zaprezentuje Trevor Martin, doktorant z mojego laboratorium. Aby przygotować stopioną siarkę elementarną, należy umieścić siarkę elementarną w 15 mililitrowej kolbie trójszyjnej z podłączonym chłodnicą i sondą temperatury.Kilkakrotnie przeprowadź cykle pompowania i płukania próżnią i azotem. Ogrzej pod strumieniem azotu do 150 °C przy jednoczesnym mieszaniu. Spowoduje to upłynnienie siarki, która przyjmie żółty kolor.Gdy cała siarka rozpuści się w cieczy, należy niezwłocznie wstrzyknąć alfa-metylostyren do roztworu. Roztwór należy podgrzać do 185 °C, mieszając z prędkością 500 RPM przez 10 minut. W miarę tworzenia się kopolimeru kolor roztworu zmieni się z żółtego na pomarańczowy, aż do uzyskania ciemnoczerwonej barwy.Zdejmij roztwór z ogni i ostudź do temperatury pokojowej. W miarę chłodzenia kopolimer będzie powoli krystalizować, tworząc pomarańczową, gumowatą substancję stałą. Na tym etapie kopolimer można przechowywać w temperaturze pokojowej do późniejszej syntezy lub użyć go niezwłocznie.Do kolby trójszyjnej z poprzedniego kroku dodaj acetylacetonian kadru w taki sposób, aby proszek został równomiernie rozmieszczony na powierzchni stałego kopolimeru siarki. Przeprowadź w kolbie kilka cykli przepłukiwania azotem i próżniowania. Ważne jest, aby upewnić się, że prekursor kadru wymiesza się dokładnie i jednorodnie z ciekłym kopolimerem siarki natychmiast po rozpoczęciu topnienia polimeru, tak aby proces tworzenia nanocząsteczek mógł przebiegać homogenicznie.Podgrzać roztwór do 200 °C w atmosferze azotu, przy ciągłym mieszaniu. Kopolimer siarki stopi się i zmiesza z prekursorem kadmu, co umożliwi rozpoczęcie procesów nukleacji i wzrostu nanocząstek. Pozostawić nanocząstki do wzrostu przez 30 minut, a następnie zdjąć roztwór z grzejnika i schłodzić do temperatury pokojowej.Po ochłodzeniu należy wyjąć stały nanokompozyt z kolby i przechowywać go w temperaturze pokojowej. Aby usunąć kopolimer siarki, należy umieścić 200 mg nanokompozytu w szklanej fiolce o pojemności 20 ml i dodać 20 ml chloroformu. Fiolkę należy umieścić w myjce ultradźwiękowej i poddać sonikacji przez jedną godzinę, aby rozbić nanokompozyt i zawiesić nanocząsteczki w roztworze.Po sonikacji podziel roztwór do dwóch probówek wirówkowych o pojemności 30 ml i dodaj do każdej kolejne 20 ml chloroformu. Wirować roztwór przy 8 736 Gs przez 15 minut. Następnie zlej kopolimer siarki z probówek wirówkowych, uważając, aby nie poruszyć osadzonych nanocząsteczek.Aby wyizolować osadzone nanocząstki, należy je redyspergować poprzez dodanie chloroformu do każdej probówki wirówkowej i sonikację przez 15 minut. Powtórzyć centryfugację i redyspergowanie jeszcze trzy razy, aby upewnić się, że cały kopolimer siarki został usunięty. Po usunięciu całego kopolimeru siarki odlana roztwór nie będzie już miał pomarańczowego koloru.Zebrać końcowe nanocząsteczki, dodając dwa mililitry chloroformu do każdej probówki wirówki. Połączyć zebrane nanocząsteczki w jednej szklanej fiolce o pojemności 20 mililitrów. Umieścić szklaną fiolkę w próżni, aby usunąć cały chloroform i wysuszyć nanocząsteczki.Na tym etapie należy oznaczyć masę otrzymanych nanocząsteczek. Masę tę należy porównać z masą początkową prekursorów w celu wyznaczenia wydajności reakcji, wykorzystując stosunki molowe substratów i produktu. Aby scharakteryzować nanocząsteczki siarczku kadmu za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), 20 mg wyizolowanych nanocząsteczek należy rozpuścić w 20 ml chloroformu i poddać ultrasonikacji przez jedną godzinę.Rozcieńczyć ten roztwór w chloroformie i poddać sonikacji przez 15 minut. Nanieść końcowy roztwór na podłoże z ultracienką folią węglową i warstwami wspierającymi z węglowej folii dziurkowanej (Holey carbon) na miedzianej siatce TEM o gęstości 400 mesh. Umieścić siatkę TEM w szklanej fiolce.Fiolkę pozostaw w próżni przez noc, aby usunąć z próbki wszelkie pozostałości rozpuszczalnika. Po zakończeniu suszenia wykonaj obrazy TEM, stosując napięcie przyspieszające 200 kV, rozmiar plamki (spot size) wynoszący 3 oraz podłączony detektor spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii, czyli detektor EDS. W celu charakterystyki nanopartuł siarczku kadmu za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej, rozcieńcz wyizolowane nanopartykuły w chloroformie do stężenia 10 mg/mL.Następnie oczyść podłoża szklane sodowo-wapniowe pokryte liptonem (mumbles), sonikując je w detergencie, wodzie zjonizowanej, acetonie i alkoholu izopropylowym przez 10 minut w każdym rozpuszczalniku. Na koniec, przed naniesieniem roztworu metodą drop casting, oczyść podłoża w oczyszczaczu plazmowym powietrznym przez 10 minut. Następnie nanieś roztwór na przygotowane podłoża w ilościach 7 µL.Po wyschnięciu filmów należy zebrać dane z dyfrakcji rentgenowskiej. Dane należy gromadzić, wykorzystując 7 000 punktów danych przy szybkości skanowania jednego punktu na sekundę, stosując miedziane źródło promieniowania rentgenowskiego K-alpha o długości fali padającej 1,54059 angstroms. W celu charakterystyki nanocząstek siarczku kadmu za pomocą spektroskopii roztworowej, należy zdyspergować wyizolowane nanocząstki w chloroformie w stężeniu 0,1 mg/mL i poddać je sonikacji przez 30 minut.Następnie umieść próbki w szczelnej kuwecie kwarcowej. Przygotuj dwie dodatkowe próbki do analizy, dyspergując nanokompozyt oraz kopolimer siarki w formamidzie, oba w stężeniu 1 mg/mL. Mieszaj każdą dyspersję z prędkością 700 RPM i podgrzej do 70 °C, aby ułatwić zawieszenie materiału.Przeprowadź pomiary absorbancji optycznej wszystkich trzech próbek przy użyciu spektrometru z potrójnym detektorem obejmującym zakresy ultrafioletowy, widzialny i bliskiej podczerwieni. Na koniec wykonaj pomiary fotoluminescencji wszystkich trzech próbek przy użyciu spektrofluorometru z długością fali wzbudzenia 330 nanometrów. Przedstawiono tutaj obraz TEM ukazujący nanocząstki siarczku kadmu o rozmiarach od trzech do czterech nanometrów tworzące się w kopolimerze siarki na początku reakcji.Ten obraz TEM przedstawia zagregowane nanocząstki po usunięciu kopolimeru. Wstawka pokazuje stechiometrię nanocząstek na podstawie widm EDS. Przedstawiony tutaj dyfraktogram rentgenowski wyizolowanych nanocząstek jest zgodny z formowaniem się siarczku kadmu.Poniżej przedstawiono dane spektroskopowe dla wyizolowanych nanocząstek po usunięciu kopolimeru siarki. Po opanowaniu metody synteza nanocząstek ta może zostać ukończona w ciągu kilku godzin. Należy pamiętać, że praca z kadmem może być niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury należy zachować środki ostrożności, takie jak stosowanie odpowiedniego sprzętu ochronnego.Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat syntezy nanocząstek siarczków metali z wykorzystaniem kopolimeru siarki. Wierzymy, że metoda ta pomoże w łatwym dostrajaniu chemii powierzchni nanocząstek na potrzeby różnych zastosowań.

synthesis-ligand-free-cds-nanoparticles-within-sulfur-copolymer

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Przedstawiono protokół do syntezy zasiewów wieloskładnikowych nanostruktur w kształcie pałeczek i czworonogów, składających się z CdS i CdSe.

Zasiewana synteza nanokryształów pręcików i tetrapodów CdSe/CdS

Prosta, solidna i skalowalna technika funkcjonalizacji i samodzielnego montażu makroskopowych warstw nanocząstek-ligandów na podłożach bez szablonów jest opisana w tym protokole.

Technika funkcjonalizacji i samoorganizacji makroskopowych warstw monowarstwowych nanocząstek-ligand na podłożach bez szablonów

Raportujemy protokoły "polimeryzacji" różnych typów nanocząsteczek metalowych w kapsułkach polimerowych w długie łańcuchy "homo-" i "kopolimerów".

Wykorzystanie nanocząstek metali pokrytych blokiem polistyrenu (kwas akrylowy) jako monomerów do ich homo- i kopolimeryzacji

Przeprowadzana jest synteza jednolitych nanocząstek złota pokrytych półprzewodnikowymi powłokami CdS lub ZnS. Powłoka półprzewodnikowa jest przeprowadzana przez pierwsze osadzenie powłoki siarczku srebra i wymianę kationów srebra na kationy lub kadmu.

Synteza, charakterystyka i funkcjonalizacja hybrydowych nanocząstek rdzenia/powłoki Au/CdS i Au/ZnS

Ten artykuł opisuje proces wytwarzania polimerowych, samoorganizujących się nanocząstek za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego. Wykorzystanie niskoenergetycznego światła widzialnego do kontrolowania polimeryzacji pozwala na powtarzalne tworzenie samoorganizujących się miceli przypominających robaki przy wysokiej zawartości części stałych.

Łatwa synteza robakopodobnych miceli za pomocą polimeryzacji dyspersyjnej za pośrednictwem światła widzialnego przy użyciu katalizatora fotoredoks

Protokół szczegółowo opisujący, w jaki sposób anizotropowe nanokryształy koloidalnego chalkogenku kadmu mogą być kowalencyjnie połączone poprzez ich końcowe fasetki, jest przedstawiony tutaj.

Łączenie aspekt-aspekt anizotropowych koloidalnych nanostruktur chalkogenku kadmu

Głównym celem tej pracy jest wyjaśnienie roli środków ograniczających w regulacji wielkości nanocząstek palladu poprzez połączenie rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem iin situ (SAXS) oraz modelowania kinetycznego opartego na ligandach.

Zarodkowanie i wzrost nanocząstek palladu metalicznego za pośrednictwem ligandów

Opisano protokół syntezy nanocząstek bimetalicznych w cieczach jonowych oraz procedurę ich katalitycznego testowania w selektywnym uwodornieniu nienasyconych aldehydów.

Synteza bimetalicznych nanocząstek na bazie Pt/Sn w cieczach jonowych

Tutaj prezentujemy protokół syntezy łożyskowych nanocząstek lipidowo-polimerowych skojarzonych z peptydem wiążącym siarczan chondroityny A (plCSA-BP) za pomocą jednoetapowej techniki sonikacji i biokoniugatu. Cząstki te stanowią nowatorskie narzędzie do ukierunkowanego dostarczania leków do większości ludzkich nowotworów i trofoblastów łożyska w leczeniu nowotworów i zaburzeń łożyska.

Synteza i charakterystyka nanocząstek lipidowo-polimerowych siarczanu chondroityny A (plCSA) ukierunkowanych na łożysko

Amfifilowe nanocząstki złota mogą być używane w wielu zastosowaniach biologicznych. Przedstawiono protokół syntezy nanocząstek złota pokrytych binarną mieszaniną ligandów oraz szczegółową charakterystykę tych cząstek.

Synteza i charakterystyka amfifilowych nanocząstek złota

Nanożele są doskonałą i wszechstronną platformą nanocząsteczek do dostarczania leków biologicznych. Reagujące na bodźce polimerowe nanożele na bazie glikolu poli(etylenowego), zdolne do kapsułkowania ładunków opartych na białkach, zsyntetyzowano przy użyciu jednoetapowej strategii sieciowania ko-nanopolimeryzacji w warunkach wodnych. Przedstawiono tutaj optymalne wytwarzanie i charakterystykę tych nowych nanocząstek.

Synteza nanożeli reagujących na bodźce przy użyciu wodnego jednoetapowego sieciowania i konanopolimeryzacji

Poznaj metodę syntezy wolnych od ligandów nanocząstek CdS w matrycy kopolimeru siarki. Technika ta umożliwia łatwe modyfikacje powierzchniowe i znajduje zastosowanie w elektronice oraz fotonice.

Synteza wolnych od ligandów nanocząstek CdS w matrycy kopolimeru siarki

Przeglądaj więcej filmów