JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

Photodeposition av PD på kolloidal au nanorods genom Ytplasmon excitation

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

Summary

Ett protokoll för anisotropisk photodeposition av PD på akvilöst suspenderade au nanorör via lokaliserad yta Plasmon excitation presenteras.

Abstract

Ett protokoll beskrivs för att Fotokatalytiskt vägleda PD deposition på Au nanorör (aunr) med hjälp av ytan plasmon resonans (SPR). Upphetsad plasmoniska heta elektroner på spr bestrålning driva reduktiv deposition av PD på kolloidal aunr i närvaro av [pdcl4]2-. Plasmon-driven reduktion av sekundära metaller potentierar kovalenta, sub-våglängd deposition på riktade platser sammanfaller med elektriska fältet “hot-spots” av plasmoniska substrat med hjälp av ett externt fält (t. ex. laser). Processen beskrivs häri Detaljer en lösning-fas avsättning av en katalytiskt-aktiv ädel metall (PD) från en övergång metallhalogenid salt (H2pdcl4) på aqueously-suspenderade, Anisotrop plasmoniska strukturer (aunr). Lösnings fas processen är mottaglig för att göra andra bimetalliska arkitekturer. Transmission UV-VIS övervakning av den fotokemiska reaktionen, tillsammans med ex situ XPS och statistisk tem analys, ger omedelbar experimentell återkoppling för att utvärdera egenskaperna hos bimetalliska strukturer som de utvecklas under fotokatalytisk reaktion. Resonant Plasmon bestrålning av AuNR i närvaro av [PdCl4]2- skapar ett tunt, kovalent bundet PD0 -skal utan någon signifikant dämpande effekt på dess plasmoniska beteende i detta representativa experiment/parti. Sammantaget erbjuder plasmoniska photodeposition en alternativ väg för hög volym, ekonomisk syntes av optoelektroniska material med sub-5 NM funktioner (t. ex., heterometallic photocatalysts eller optoelektroniska sammankopplingar).

Introduction

Att vägleda metall deposition på plasmoniska substrat via plasmoniska heta bärare som genereras från en resonant externt fält kan stödja 2-stegs bildning av heterometallic, anisotropiska nanostrukturer vid omgivningsförhållanden med nya frihetsgrader1 ,2,3. Konventionella redox kemi, Vapor deposition, och/eller elektronedfall metoder är dåligt lämpade för stora volymer bearbetning. Detta beror främst på överskott/sacrificial reagens avfall, låg genomströmning 5 + steg litografi processer och energiintensiva miljöer (0,01-10 torr och/eller 400-1000 ° c temperaturer) med liten eller ingen direkt kontroll över resulterande materialegenskaper . Nedsänkning av ett plasmoniskt substrat (t. ex. au nanopartiklar/frö) till en prekursor miljö (t. ex. vattenlösning av PD-salt) under belysning på lokaliserad yta Plasmon resonans (SPR) initierar externt-tunable (dvs. fältpolarisering och intensitet) fotokemisk avsättning av föregångaren via plasmoniska heta elektroner och/eller fototermiska gradienter3,4. Exempelvis har protokollparametrar/krav för plasmoniskt driven foto termisk nedbrytning av au-, Cu-, PB-, och TI-organometallics och ge-hydrider på nanostrukturerade AG-och au-substrat varit detaljerade5,6, 7,8,9. Emellertid, utnyttjande av femtosecondlaser plasmoniska heta elektroner att direkt photoreduce metallsalter på en metall-lösning gränssnitt är fortfarande till stor del outvecklade, frånvarande processer som sysselsätter citrat eller poly (vinylpyrrolidone) ligander som agerar som mellanhand avgift relä till rikta nucleation/tillväxt av den sekundära belägga med metall2,10,11,12. Anisotrop PT-dekoration av au nanorör (aunr) under längsgående spr (lspr) excitation rapporterades nyligen1,13 där PT fördelningen sammanföll med dipolpolaritet (dvs. den förmodade rumsliga fördelningen av heta bärare).

Protokollet häri expanderar den senaste PT-aunr arbete för att inkludera PD och belyser viktiga syntes mått som kan observeras i realtid, visar den reduktiva plasmoniska photodeposition teknik är tillämplig mot andra metallhalogenid salter (AG, ni, IR, etc.).

Protocol

1. tilldelning av au nanorör Anmärkning: cetyltrimetylammoniumbromid (CTAB)-täckt AuNR kan syntetiseras av våt-kemi (steg 1,1) eller köpas kommersiellt (steg 1,2) enligt läsarens preferens, med varje ger liknande resultat. Resultaten i detta arbete baserades på kommersiellt anskaffade, AuNR med Penta-twinned kristallstruktur. Effekterna av aunr Seed Crystal struktur (dvs., monokristalline kontra Penta-twinned) på Ultimate morfologi av sekundärt metallhölje förblir oklart inom ramen f?…

Representative Results

Transmission UV-VIS Spectra, röntgen fotoelektronspektroskopi (XPS) data och transmission elektronmikroskopi (TEM) bilder förvärvades för CTAB-täckt AuNR i närvaro/frånvaro av H2pdcl4 i mörker och under resonant bestrålning vid deras längsgående SPR (LSPR) för att katalysera nukleation/tillväxt av PD. Transmission UV-VIS Spectra i figur 1 och figur 2 ger insikter i reaktionsdynamiken enligt förändringar i: (a) prekursorer fö…

Discussion

Övervakning av förändringar i optisk absorbans med transmission UV-VIS spektroskopi är användbart för att bedöma status för fotokatalytisk reaktion, med särskild uppmärksamhet på LMCT-funktionerna i H2pdcl4. Våglängd Maxima av LMCT funktioner efter injektion avH 2pdcl4 i steg 2.3.1 (går från fast svart till fast blått i figur 1) ger insikter i den lokala “miljön” i [pdcl4]2- molekyler1 …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete sponsrades av arméns forskningslaboratorium och genomfördes under USARL samarbetsavtal nummer W911NF ‐ 17 ‐ 2 ‐ 0057 tilldelas G.T.F. De synpunkter och slutsatser som finns i detta dokument är författarnas och bör inte tolkas som företräder officiella politik, varken uttryckliga eller underförstådda, av armén forskningslaboratorium eller den amerikanska regeringen. Den amerikanska regeringen har rätt att reproducera och distribuera utskrifter för myndighets ändamål oaktat upphovsrätts notation häri.

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