JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

Foto aflejring af PD på kolloid AU Nanorods ved overflade Plasmon excitation

Published: August 15, 2019
doi:
10.3791/60041
, , , , , ,
1Sensors & Electron Devices Directorate,U.S. Army Research Laboratory, 2General Technical Services

Summary

En protokol for Anisotropisk foto aflejring af PD på voldsomt suspenderede AU nanoroder via lokaliseret overflade Plasmon excitation præsenteres.

Abstract

En protokol er beskrevet til fotokatalytisk guide PD deposition på AU nanoroder (aunr) ved hjælp af overflade Plasmon resonans (spr). Spændte plasmoniske varme elektroner ved SPR bestråling drive reduktiv deposition af PD på kolloid AuNR i nærværelse af [PdCl4]2-. Plasmon-drevet reduktion af sekundære metaller potenserer kovalent, sub-bølgelængde deposition på målrettede steder sammenfaldende med elektriske felt “hot-spots” af det plasmoniske substrat ved hjælp af en ekstern felt (f. eks, laser). Den proces, der er beskrevet heri, beskriver en opløsningsfaset aflejring af et katalytisk aktivt ædelmetal (PD) fra et overgangsmetalhalogenid salt (H2pdcl4) på de omhyggeligt suspenderede, anisotropiske Plasmoniske strukturer (aunr). Løsnings fase processen kan bruges til at lave andre bimetalliske arkitekturer. Transmission UV-Vis overvågning af den foto kemiske reaktion, kombineret med ex situ XPS og statistisk tem-analyse, giver øjeblikkelig eksperimentel feedback til at evaluere egenskaberne af bimetal strukturer, som de udvikler sig i løbet af Foto katalytisk reaktion. Resonans Plasmon bestråling af AuNR i nærværelse af [PdCl4]2- skaber en tynd, kovalent-bundet PD0 Shell uden nogen signifikant dæmpende virkning på dens plasmoniske adfærd i dette repræsentative eksperiment/batch. Samlet set tilbyder plasmonisk foto deposition en alternativ rute for høj volumen, økonomisk syntese af optoelektroniske materialer med sub-5 nm-funktioner (f. eks. heterometalliske foto katalysatorer eller optoelektroniske forbindelser).

Introduction

Vejledende metal aflejring på plasmoniske substrater via plasmoniske varmebærere genereret fra et resonans eksternt felt kunne understøtte 2-trins dannelse af heterometalliske, anisotrope nanostrukturer ved omgivende forhold med nye grader-af-frihed1 ,2,3. Konventionel redox-kemi, damp aflejring og/eller elektro aflejrings metoder er uegnede til behandling af store mængder. Dette skyldes primært overskydende/offer reagens affald, lav gennemløb 5 + Step litografi processer og energiintensive miljøer (0,01-10 torr og/eller 400-1000 °C temperaturer) med ringe eller ingen direkte kontrol over de resulterende materialeegenskaber . Nedsænkning af et plasmonisk substrat (f. eks. au nanopartikel/Seed) i et prækursormiljø (f. eks. vandig PD-saltopløsning) under belysning ved den lokaliserede overflade Plasmon resonans (SPR) initierer eksternt-tunable (dvs. felt polarisering og intensitet) fotokemisk aflejring af forløberen via plasmoniske varme elektroner og/eller foto termiske gradienter3,4. For eksempel er protokolparametre/krav til plasmonisk drevet foto termisk nedbrydning af AU, cu, Pb og ti organometallics og ge hydrider på nanostrukturerede AG-og AU-substrater blevet detaljeret5,6, 7,8,9. Men, udnyttelse af at plasmoniske varme elektroner til direkte fotoreduce metalsalte på en metal-løsning grænseflade er stadig stort set uudviklet, fraværende processer beskæftiger citrat eller poly (vinylpyrrolidone) ligander fungerer som mellemled afgift relæer til direkte nukleation/vækst af det sekundære metal2,10,11,12. Anisotropic PT-dekoration af AU nanoroder (aunr) under langsgående spr (lspr) excitation blev for nylig rapporteret1,13 hvor PT fordeling faldt sammen med dipol polaritet (dvs. den formodede rumlige fordeling af varmebærere).

Protokollen heri udvider den seneste PT-aunr arbejde til at omfatte PD og fremhæver centrale syntese målinger, der kan observeres i realtid, viser den reduktive modale photodeposition teknik er gældende mod andre metalhalogenid salte (AG, ni, IR, etc.).

Protocol

1. tildeling af AU nanoroder Bemærk: Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB)-dækket AuNR kan syntetiseres af Wet-Chemistry (trin 1,1) eller købes kommercielt (trin 1,2) i henhold til læserens præference, med hver giver lignende resultater. Resultaterne i dette arbejde var baseret på kommercielt indkøbt, AuNR med Penta-twinned krystalstruktur. Virkningen af AuNR Seed Crystal struktur (dvs. monokrystallinske vs. Penta-twinned) på ultimative morfologi af sekundær metal skal fortsat uklart inde…

Representative Results

Transmission UV-Vis Spectra, X-ray photoelectron spektroskopi (XPS) data, og transmission Electron mikroskopi (tem) billeder blev erhvervet for den ctab-dækkede aunr i nærværelse/fravær af H2pdcl4 i mørke og under resonans bestråling på deres langsgående SPR (LSPR) at katalysere nukleation/vækst af PD. transmission UV-Vis Spectra i figur 1 og figur 2 giver indsigt i reaktions dynamik i henhold til ændringer i: (a) forløber ligand…

Discussion

Overvågning af ændringer i optisk absorbans ved hjælp af transmission UV-Vis spektroskopi er nyttig til at vurdere status for den fotokatalytiske reaktion, med særlig vægt på LMCT funktioner i H2pdcl4. Bølgelængde maksime af LMCT funktioner efter injektion afH 2pdcl4 på trin 2.3.1 (går fra solid sort til fast blå i figur 1) give indsigt i det lokale “miljø” af [pdcl4]2- molekyler1 ( f. eks. …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev sponsoreret af hærens forskningslaboratorium og blev gennemført under USARL samarbejdsaftale nummer W911NF ‐ 17 ‐ 2 ‐ 0057 tildelt G.T.F. De synspunkter og konklusioner, der er indeholdt i dette dokument, er forfatternes og bør ikke fortolkes således, at de repræsenterer officielle politikker, hverken udtrykte eller underforståede, af hærens forskningslaboratorium eller den amerikanske regering. Den amerikanske regering er bemyndiget til at reproducere og distribuere genoptryk til regeringens formål uanset enhver Copyright notation heri.

Materials

Aspheric Condenser Lens w/ Diffuser Thorlabs ACL5040U-DG15 f=40 mm, NA=0.60, 1500 grit, uncoated
Deuterium + Tungsten-Halogen Lightsource StellarNet SL5
Gold Nanorods, AuNR NanoPartz A12-40-808-CTAB CTAB surfactant, 808 nm LSPR, 40 nm diameter
Ground Glass Diffuser Thorlabs DG20-1500 1500 grit, N-BK7
Hydrochloric acid, HCl J.T. Baker 9539-03 concentrated, 37%
Low Profile Magnetic Stirrer VWR 10153-690
Macro Disposable Cuvettes, UV Plastic FireFlySci 1PUV 10 mm path length
Methanol, MeOH J.T. Baker 9073-05 ≥99.9%
Palladium (II) chloride, PdCl2 Sigma Aldrich 520659 ≥99.9%
Plano-Convex Lens Thorlabs LA1145 f=75 mm, N-BK7, uncoated
Quartz Tungsten-Halogen Lamp Thorlabs QTH10
UV-vis Spectrometer Avantes ULS2048L-USB2-UA-RS AvaSpec-ULS2048L
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Forcherio, G. T. Targeted deposition of platinum onto gold nanorods by plasmonic hot electrons. Journal of Physical Chemistry C. 122 (50), 28901-28909 (2018).
  2. Langille, M. R., Personick, M. L., Mirkin, C. A. Plasmon-Mediated Syntheses of Metallic Nanostructures. Angewandte Chemie International Edition. 52 (52), 13910-13940 (2013).
  3. Qiu, J., Wei, W. D. Surface Plasmon-Mediated Photothermal Chemistry. The Journal of Physical Chemistry C. 118 (36), 20735-20749 (2014).
  4. Zhang, Y. Surface-Plasmon-Driven Hot Electron Photochemistry. Chemical Reviews. 118 (6), 2927-2954 (2018).
  5. Qiu, J., Wu, Y. C., Wang, Y. C., Engelhard, M. H., McElwee-White, L., Wei, W. D. Surface Plasmon Mediated Chemical Solution Deposition of Gold Nanoparticles on a Nanostructured Silver Surface at Room Temperature. Journal of the American Chemical Society. 135 (1), 38-41 (2013).
  6. Qiu, J. Surface Plasmon-Mediated Chemical Solution Deposition of Cu Nanoparticle Films. The Journal of Physical Chemistry C. 120 (37), 20775-20780 (2016).
  7. Boyd, D. A., Greengard, L., Brongersma, M., El-Naggar, M. Y., Goodwin, D. G. Plasmon-Assisted Chemical Vapor Deposition. Nano Letters. 6 (11), 2592-2597 (2006).
  8. Di Martino, G., Michaelis, F. B., Salmon, A. R., Hofmann, S., Baumberg, J. J. Controlling Nanowire Growth by Light. Nano Letters. 15 (11), 7452-7457 (2015).
  9. Di Martino, G., Turek, V. A., Braeuninger-Weimer, P., Hofmann, S., Baumberg, J. J. Laser-induced reduction and in-situ optical spectroscopy of individual plasmonic copper nanoparticles for catalytic reactions. Applied Physics Letters. 110 (7), 071111 (2017).
  10. Xue, C., Millstone, J. E., Li, S., Mirkin, C. A. Plasmon-Driven Synthesis of Triangular Core–Shell Nanoprisms from Gold Seeds. Angewandte Chemie International Edition. 46 (44), 8436-8439 (2007).
  11. Langille, M. R., Zhang, J., Mirkin, C. A. Plasmon-Mediated Synthesis of Heterometallic Nanorods and Icosahedra. Angewandte Chemie International Edition. 50 (15), 3543-3547 (2011).
  12. Zhai, Y. Polyvinylpyrrolidone-induced anisotropic growth of gold nanoprisms in plasmon-driven synthesis. Nature Materials. 15 (8), 889-895 (2016).
  13. Forcherio, G. T., Baker, D. R., Boltersdorf, J., McClure, J. P., Leff, A. C., Lundgren, C. A. Directed assembly of bimetallic nanoarchitectures by interfacial photocatalysis with plasmonic hot electrons. Nanophotonic Materials XV. 10720, 107200K (2018).
  14. Tebbe, M. Silver-Overgrowth-Induced Changes in Intrinsic Optical Properties of Gold Nanorods: From Noninvasive Monitoring of Growth Kinetics to Tailoring Internal Mirror Charges. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (17), 9513-9523 (2015).
  15. Mayer, M. Controlled Living Nanowire Growth: Precise Control over the Morphology and Optical Properties of AgAuAg Bimetallic Nanowires. Nano Letters. 15 (8), 5427-5437 (2015).
  16. Nikoobakht, B., El-Sayed, M. A. Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method. Chemistry of Materials. 15 (10), 1957-1962 (2003).
  17. Burrows, N. D., Harvey, S., Idesis, F. A., Murphy, C. J. Understanding the Seed-Mediated Growth of Gold Nanorods through a Fractional Factorial Design of Experiments. Langmuir. 33 (8), 1891-1907 (2017).
  18. Jana, N. R., Gearheart, L., Murphy, C. J. Seed-Mediated Growth Approach for Shape-Controlled Synthesis of Spheroidal and Rod-like Gold Nanoparticles Using a Surfactant Template. Advanced Materials. 13, 1389-1393 (2001).
  19. Kumar, D., Lee, A. R., Kaur, S., Lim, D. K. Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle. Journal of Visualized Experiments. 103, e53108 (2015).
  20. Paviolo, C., McArthur, S. L., Stoddart, P. R. Gold Nanorod-assisted Optical Stimulation of Neuronal Cells. Journal of Visualized Experiments. (98), e52566 (2015).
  21. Hoang, T. B., Huang, J., Mikkelsen, M. H. Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics. Journal of Visualized Experiments. (111), e53876 (2016).
  22. Ortiz, N. Harnessing Hot Electrons from Near IR Light for Hydrogen Production Using Pt-End-Capped-AuNRs. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (31), 25962-25969 (2017).
  23. Schiavo, L., Aversa, L., Tatti, R., Verucchi, R., Carotenuto, G. Structural Characterizations of Palladium Clusters Prepared by Polyol Reduction of [PdCl4]2− Ions. Journal of Analytical Methods in Chemistry. 2016, 9073594 (2016).
  24. Baffou, G., Quidant, R., García de Abajo, F. J. Nanoscale Control of Optical Heating in Complex Plasmonic Systems. ACS Nano. 4 (2), 709-716 (2010).
  25. Mulvaney, P. Surface Plasmon Spectroscopy of Nanosized Metal Particles. Langmuir. 12 (3), 788-800 (1996).
  26. Elding, L. I., Olsson, L. F. Electronic absorption spectra of square-planar chloro-aqua and bromo-aqua complexes of palladium(II) and platinum(II). The Journal of Physical Chemistry. 82 (1), 69-74 (1978).
  27. Swihart, D. L., Mason, W. R. Electronic spectra of octahedral platinum (IV) complexes. Inorganic Chemistry. 9 (7), 1749-1757 (1970).
  28. Forcherio, G. T., Dunklin, J. R., Backes, C., Vaynzof, Y., Benamara, M., Roper, D. K. Gold nanoparticles physicochemically bonded onto tungsten disulfide nanosheet edges exhibit augmented plasmon damping. AIP Advances. 7 (7), 075103 (2017).
  29. Boltersdorf, J., Forcherio, G. T., McClure, J. P., Baker, D. R., Leff, A. C., Lundgren, C. Visible Light-Promoted Plasmon Resonance to Induce “Hot” Hole Transfer and Photothermal Conversion for Catalytic Oxidation. The Journal of Physical Chemistry C. 122 (50), 28934-28948 (2018).
  30. da Silva, J. A., Meneghetti, R. M. New Aspects of the Gold Nanorod Formation Mechanism via Seed-Mediated Methods Revealed by Molecular Dynamics Simulations. Langmuir. 34 (1), 366-375 (2018).
  31. Teranishi, T., Miyake, M. Size Control of Palladium Nanoparticles and Their Crystal Structures. Chemistry of Materials. 10 (2), 594-600 (1998).
  32. Straney, P. J., Marbella, L. E., Andolina, C. M., Nuhfer, N. T., Millstone, J. E. Decoupling Mechanisms of Platinum Deposition on Colloidal Gold Nanoparticle Substrates. Journal of the American Chemical Society. 136 (22), 7873-7876 (2014).
  33. Cheng, N., Lv, H., Wang, W., Mu, S., Pan, M., Marken, F. An ambient aqueous synthesis for highly dispersed and active Pd/C catalyst for formic acid electro-oxidation. Journal of Power Sources. 195 (21), 7246-7249 (2010).
  34. Grzelczak, M., Perez-Juste, J., Garcia de Abajo, F. J., Liz-Marzan, L. M. Optical Properties of Platinum-Coated Gold Nanorods. The Journal of Physical Chemistry C. 111 (17), 6183-6188 (2007).
  35. Zheng, Z., Tachikawa, T., Majima, T. Single-Particle Study of Pt-Modified Au Nanorods for Plasmon-Enhanced Hydrogen Generation in Visible to Near-Infrared Region. Journal of the American Chemical Society. 136 (19), 6870-6873 (2014).
  36. Zheng, Z., Tachikawa, T., Majima, T. Plasmon-Enhanced Formic Acid Dehydrogenation Using Anisotropic Pd–Au Nanorods Studied at the Single-Particle Level. Journal of the American Chemical Society. 137 (2), 948-957 (2015).
  37. Grzelczak, M., Pérez-Juste, J., Rodríguez-González, B., Liz-Marzán, L. M. Influence of silver ions on the growth mode of platinum on gold nanorods. Journal of Materials Chemistry. 16 (40), 3946-3951 (2006).
  38. Joplin, A. Correlated Absorption and Scattering Spectroscopy of Individual Platinum-Decorated Gold Nanorods Reveals Strong Excitation Enhancement in the Nonplasmonic Metal. ACS Nano. 11 (12), 12346-12357 (2017).
  39. Sutter, P., Li, Y., Argyropoulos, C., Sutter, E. In Situ Electron Microscopy of Plasmon-Mediated Nanocrystal Synthesis. Journal of the American Chemical Society. 139 (19), 6771-6776 (2017).

Tags

Keyword Extraction:PhotodepositionPdColloidal Au NanorodsSurface Plasmon ExcitationReductive Plasmonic PhotodepositionEpitaxial Metal GrowthPlatinumSilverCatalytic ApplicationsHydrochloric AcidPalladium(II) ChlorideGold NanorodCetyltrimethyl Ammonium BromideMethanolDihydrogen TetrochloropallidateTungsten-halogen Lamp

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Forcherio, G. T., Baker, D. R., Leff, A. C., Boltersdorf, J., McClure, J. P., Grew, K. N., Lundgren, C. A. Photodeposition of Pd onto Colloidal Au Nanorods by Surface Plasmon Excitation. J. Vis. Exp. (150), e60041, doi:10.3791/60041 (2019).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image