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Chemistry

Photodeposition de sur Colloidal Au Nanorods par Surface Plasmon Excitation

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

Summary

Un protocole pour la photodéposition anisotrope de sur les nanorods aqueusement suspendus d'Au par l'intermédiaire de l'excitation localisée de plasmon de surface est présenté.

Abstract

Un protocole est décrit pour guider photocatalytiquement le dépôt de sur au nanorods (AuNR) utilisant la résonance de plasmon de surface (SPR). Électrons chauds plasmoniques excités sur le dépôt réducteur de lecteur d'irradiation de SPR de sur l'AuNR colloïdal en présence de [PdCl4]2-. La réduction plasmon des métaux secondaires potentialise covalente, dépôt de longueur sous-onde à des endroits ciblés coïncidant avec le champ électrique "points chauds" du substrat plasmonique à l'aide d'un champ externe (par exemple, laser). Le procédé décrit ci-dessus détaille un dépôt en phase de solution d'un métal noble catalytique-actif (Pd) d'un sel d'halogénure métallique de transition (H2PdCl4) sur des structures plasmoniques anisotropiques aqueusement suspendues (AuNR). Le processus de phase de solution est propice à la fabrication d'autres architectures bimétalliques. La surveillance uv-vis de transmission de la réaction photochimique, couplée à l'ex situ XPS et à l'analyse statistique du TEM, fournit une rétroaction expérimentale immédiate pour évaluer les propriétés des structures bimétalliques au fur et à mesure qu'elles évoluent au cours de la réaction photocatalytique. Irradiation de plasmon résonnant d'AuNR en présence de [PdCl4]2- crée une coquille mince et covalente de0 sans aucun effet d'amortissement significatif sur son comportement plasmonique dans cette expérience/batch représentatif. Dans l'ensemble, la photodéposition plasmonique offre une voie alternative pour la synthèse économique à volume élevé de matériaux optoélectroniques avec des caractéristiques inférieures à 5 nm (p. ex., photocatalyseurs hétérométalliques ou interconnexions optoélectroniques).

Introduction

Le déposition en métal de guidage sur les substrats plasmoniques par l'intermédiaire des porteurs chauds plasmoniques générés à partir d'un champ externe résonnant pourrait soutenir la formation en deux étapes des nanostructures hétérométalliques et anisotropes aux conditions ambiantes avec de nouveaux degrés de liberté1 ,2,3. La chimie classique de redox, le dépôt de vapeur, et/ou les approches d'électrodéposition sont mal adaptés pour le traitement à haut volume. Cela est principalement dû à l'excès /sacrifice des déchets de réactifs, à un faible débit des processus de lithographie à étape 5 et à des environnements énergivores (0,01-10 Torr et/ou 400-1000 degrés Celsius) avec peu ou pas de contrôle direct sur les caractéristiques des matériaux qui en résultent. . L'immersion d'un substrat plasmonique (p. ex., Au nanoparticule/graine) dans un environnement précurseur (p. ex., solution aqueuse de sel Pd) sous lumenthement à la résonance plasmon de surface localisée (SPR) initie la polarisation extérieure (c.-à-d. polarisation de champ et intensité) dépôt photochimique du précurseur par électrons chauds plasmoniques et/ou gradients photothermiques3,4. Par exemple, les paramètres/exigences du protocole pour la décomposition photothermique plasmonique de Au, Cu, Pb, et Ti organometallics et Ge hydrides sur les substrats ag et Au nanostructurés ont été détaillés5,6, 7,8,9. Cependant, l'utilisation d'électrons chauds plasmoniques femtoseconde pour photoréduire directement les sels métalliques à une interface métal-solution reste largement sous-développée, les processus absents employant le citrate ou le poly (vinylpyrrolidone) ligands agissant comme charge intermédiaire relais à la nucléation directe / croissance du métal secondaire2,10,11,12. L'excitation du Pt-décoration anisotropique d'Au nanorods (AuNR) sous s'excitation longitudinale SPR (LSPR) a été récemment signalée1,13 où la distribution de Pt a coïncidé avec la polarité dipole (c.-à-d., la distribution spatiale présumée de porte-avions).

Le protocole s'étend sur les travaux récents de Pt-AuNR pour inclure et met en évidence les mesures de synthèse clés qui peuvent être observées en temps réel, montrant que la technique de photodéposition plasmonique réductrice s'applique à d'autres sels d'halogénure métallique (Ag, Ni, Ir, etc.).

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Protocol

1. Répartition des nanorods Au

REMARQUE : Le bromure de cetyltrimethymmonium (CTAB) couvert auNR peut être synthétisé par chimie humide (étape 1.1) ou acheté commercialement (étape 1.2) selon la préférence du lecteur, chacun donnant des résultats similaires. Les résultats de ce travail ont été basés sur la base commerciale-source, AuNR avec penta-twinned structure en cristal. L'impact de la structure cristalline des graines AuNR (c.-à-d. monocrystalline vs penta-twinned) sur la morphologie ultime de la coquille métallique secondaire reste incertain dans le cadre de la photodéposition plasmonique, mais a été d'un vif intérêt pour les deux humides-14, 15 et photo-chimique similaire12 synthèses. D'autres surfactants au CTAB peuvent être employés tant que Zeta-potentiel est positif, bien que la morphologie finale de pourrait changer.

  1. Techniques de synthèse : Synthétiser l'AuNR aqueusement dispersé à 0,5 mM Au en utilisant la méthode assistée par Nikoobakht et al. 16 Annonces , 17 (structure monocrystalline de rendement) ou la méthode assistée par Murphy et coll. 18 ans, états-unis qui , 19 (rendement de la structure en cristal penta-twinned). Laver l'AuNR par centrifugation20,21 pour éliminer l'excès, CTAB libre à une concentration finale de 1-10 mM.
  2. Sources commerciales : Achetez des dispersions AuNR aqueuses à 0,5 mM Au avec les spécifications suivantes : 40 nm de diamètre, 808 nm LSPR, et CTAB ligand (5 mM de concentration) dans l'eau DI. Laver l'AuNR par centrifugation20,21 pour éliminer l'excédent, CTAB gratuit si la concentration CTAB dépasse 1-10 mM à la réception.
    REMARQUE : Les dispersions aqueuses D'AuNR avec surfactant CTAB à une variété de tailles, de rapports d'aspect et de densités de nombre de particules peuvent être achetées auprès de nombreux fournisseurs commerciaux et utilisées avec succès dans ce protocole.

2. Photodeposition plasmonique de sur Au nanorods

  1. Préparation du précurseur
    1. Préparer une solution HCl de 20 mM. Tout d'abord, faire 0,1 M HCl en diluant 830 L de stock concentré HCl (37%, 12 M) avec de l'eau à 100 ml. Deuxièmement, faire 0,02 M HCl en diluant 4 ml de 0,1 M HCl avec de l'eau à 20 ml.
    2. Pipette 10 ml de 20 ml de HCl dans une verrerie appropriée et placer dans un sonicator de bain (pas de sonication) avec une température de l'eau fixée à 60 oC.
    3. Ajouter 0,0177 g de PdCl2 dans les 10 ml de 20 ml de HCl et mélanger par sonication jusqu'à ce que tout PdCl2 soit dissous. La solution de 10 mM H2PdCl4 qui en résulte doit présenter une couleur orange foncé.
  2. Préparation du mélange de réaction de photodeposition
    REMARQUE : La procédure décrite suppose un volume total de 3 ml pour une utilisation dans une cuvette pour permettre la rétroaction en temps réel dans le processus plasmonique de photodeposition. Les masses/volumes cités ont été sélectionnés pour la compatibilité avec les produits chimiques/matériaux/réactifs typiques tout en permettant le lavage/récupération facile de l'AuNR Pd-décoré. On s'attend à ce que des résultats similaires soient obtenus si l'on utilise d'autres volumes et/ou d'autres navires de réaction (p. ex., bécher en verre).
    1. Degas stock auNR solution et méthanol (MeOH) dans un sonicator de bain pendant 30 min.
    2. Pipette 2,5 mL d'AuNR aqueusement suspendu (à partir de l'étape 2.2.1) dans une longueur de chemin de 1 cm, cuvette macrovolume avec une barre magnétique d'agitation. Déposer la cuvette sur une plaque à remuer.
      REMARQUE : Le volume typique d'une cuvette de macrovolume est de 3,5 ml. Le quartz peut être remplacé par des plastiques transparents aux UV.
    3. Pipette 475 'L de MeOH dégazé (à partir de l'étape 2.2.1) dans la cuvette tout en remuant doucement pendant environ 15-30 min. Enlever périodiquement les bulles en tapant doucement le fond de la cuvette contre une surface rigide au besoin; l'élimination des gaz résolveux peut prolonger la stabilité du sel d'halogénure métallique.
    4. Pipette 5 l de bouillon concentré HCl (37%, 12 M) dans la cuvette et laisser mélanger pendant 15 min.
      REMARQUE : La concentration de tuning du support de HCl pourrait influencer la morphologie finale/taux de dépôt de, mais les concentrations inférieures à 20 mM dans le mélange de réaction permettront à H2PdCl4 d'hydrolyser et d'oxolate progressivement, menant au PdO éventuel x formation après 3 h.
  3. Photoréduction Plasmonique de [PdCl4]2- onto AuNR1,13
    1. Injecter 25 oL de 10 mM H2PdCl4 dans le mélange de réaction pour un rapport atomique de 1:5 Pd:Au. Laisser la solution complexe dans l'obscurité pendant 1 h en remuant.
      REMARQUE: Cette quantité peut être ajustée selon le rapport Pd:Au souhaité comme la dépense de modifier les molarités finales de Au, [PdCl4]2-, HCl, et MeOH du mélange de réaction. La référence22 illustre l'exemple Des morphologies de Pt-AuNR à différents pt:Au-Ratios- des résultats similaires peuvent être attendus avec.
    2. Irradiez le mélange de réaction avec une lampe de tungstène-halogène filtrée non polarisée de 715 nm à 35 mW/cm d'intensité pendant 24 h.
      REMARQUE : Différents filtres lumineux (ou sources, p. ex. laser) peuvent être choisis en fonction de la longueur d'onde Unique du LSPR pour différentes graines de nanostructure Au. Par exemple, un filtre à long passage de 420 nm peut être utilisé pour les structures de semences plasmoniques présentant du LSPR à 450 nm. L'intensité lumineuse peut être diminuée avec une filtration de densité neutre au détriment d'un taux de réduction plus lent [PdCl4]2- 2-, ce qui entraîne un temps de réaction total plus long. L'intensité lumineuse peut être augmentée pour réduire le temps de réaction au détriment du potentiel de réduction thermique de [PdCl4]2- (le début est de 360 oC via la référence23). Une intensité appropriée peut être calculée a priori pour atténuer la réduction thermique par le calcul de la température de surface des nanoparticules dans l'isolement et/ou les ensembles collectifs24. Les effets sur la morphologie ultime de Pd-AuNR de l'intensité variable d'irradiation n'ont pas été explorés.
    3. Laver les produits chimiques résiduels/ réactifs du Pd-AuNR deux fois, chacun par : centrifugation à 9 000 x g, retirer le supernatant à l'aide d'une pipette, suspendre à nouveau le granule Pd-AuNR dans l'eau et plonger le flacon dans un sonicator de bain pendant 1-2 min jusqu'à disperser20,21.

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Representative Results

Des spectres de transmission de vis UV, des données de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et des images de microscopie électronique de transmission (TEM) ont été acquis pour l'AuNR couvert par le CTAB en présence/absence de H2PdCl4 dans l'irradiation foncée et sous résonance à leur SPR longitudinal (LSPR) pour catalyser la nucléation/croissance des spectres UV-vis de transmission de. dans la figure 1 et la figure 2 fournissent un aperçu de la dynamique de réaction selon les changements dans : a) le transfert de charge ligand-métal précurseur (LMCT) fonction d'intensité et de longueur d'onde et (b) d'intensité SPR nanorod, pleine largeur à la moitié maximale (FWHM) et longueur d'onde ( . XPS est utilisé pour confirmer la présence de métallique et covalent Pd-Au liaison. XPS est également utilisé pour caractériser la densité composite de la bande de valence des états (DOS) des nanostructures bimétalliques, montrées à la figure 3. Les images TEM et les cartes de spectroscopie dispersive d'énergie (EDS) de la figure 4 déterminent la morphologie structurale et la répartition de la taille de l'AuNR décoré par.

La figure 1 montre les tendances représentatives de l'absorption UV-vis-NIR lors de l'ajout séquentiel, étape par étape, de chaque composant chimique comprenant le mélange de réaction, en commençant par 2,5 ml de stock 0,5 mM AuNR (noir pointillé). L'ajout de 475 L de MeOH comme charognard de trou sacrificiel et de 5 l de 12 M HCl (noir solide) diminue la magnitude d'absorption à travers le spectre UV et visible en raison de la dilution simple. Une longueur d'onde de 5 à 8 nm de bleu dans la longueur d'onde longitudinale sPR (LSPR) sur l'ajout de HCl est typique, qui découle probablement du criblage par le Cl résolu- anions25. L'ajout de 25 L de 10 mM H2PdCl4 (bleu massif et en pointillé) fait émerger des caractéristiques d'absorption UV de haute intensité, qui correspondent aux bandes LMCT de [PdCl4]2-. Les bandes LMCT sont caractéristiques des sels d'halogénure métallique26,27. Après avoir réquilibé dans l'obscurité pendant 1 h avec l'AuNR couvert par le CTAB en 20 mM HCl, les [PdCl4]2- molécules présentent des caractéristiques LMCT à environ 247 nm et 310 nm. À la résonnance d'irradiation légère avec l'AuNR LSPR (rouge foncé), les bandes [PdCl4]2- LMCT se déplacent respectivement à 230 nm et 277 nm en quelques minutes, et leur absorptivité molaire semble diminuer. L'ampleur de l'absorption de la bande de LetMCT diminue de 1,7 à environ 0,47 au cours de 24 h en raison de la réduction progressive de la photoréduction de [PdCl4]2- (rouge foncé à jaune) par l'AuNR excité par l'intermédiaire d'électrons chauds plasmoniques 1 Fois , 13. Les caractéristiques de Précurseur LMCT dans la région UV disparaissent après 24 h (jaune), ce qui indique la consommation complète de [PdCl4]2-. Transverse SPR (TSPR) et LSPR caractéristiques commencent rouge-déplacement que le [PdCl4]2- bandes LMCT plus bas simultanément. La température du vaisseau de réaction peut être surveillée de façon concomitante (p. ex., par thermocouple) pour s'assurer que l'amortissement photothermique plasmonique n'augmente pas la température en vrac au-dessus de la température d'entrée de 360 oC pour [PdCl4]2- réduction 23. Les températures typiques à l'état régulier varient de 26 à 32 oC dans ces conditions expérimentales sans convection ambiante.

La figure 2 montre le TSPR et le LSPR des particules doublement lavées avant (noir) et après l'irradiation résonnante (rouge) en présence d'adsorbed [PdCl4]2-. La longueur d'onde LSPR passe de 807 nm à 816 nm avec une expansion de 5% FWHM. Le TSPR reste inchangé. La magnitude d'absorption à des longueurs d'onde inférieures à 400 nm est augmentée de 40 à 55 %, en raison des changements et de l'absorption accrue des métaux interbandes après photodeposition apparente de.

L'analyse XPS de la figure 3A confirme la présence de métallique par l'émergence de lignes 3d à 335 eV et 340 eV. Notez que Au présente convoluting ligne de photoélectron4d dans cette région d'énergie de liaison ainsi, mais est supprimé après photoréduction de [PdCl4]2- qui couvre AuNR avec. Un décalage de 0,5 eV dans les lignes de photoélectronau au 4f pour abaisser les énergies de liaison dans la figure 3B est indicatif de l'interaction covalente Au-Pd28,29. La bande de valence DOS après photodeposition dans la figure 3C montrent un DOS plus élevé près du niveau Fermi, EF (c.-à-d., l'énergie de liaison de 0 eV) et déplace le début d-bande vers le EF13. Ce sont des caractéristiques typiques de métallique et peuvent être calculés a priori en utilisant la théorie fonctionnelle de densité (DFT)13.

L'analyse TEM de la figure 4A,B révèle les morphologies structurelles respectives de l'AuNR mélangées à H2PdCl4 dans l'obscurité (figure4A, bleu) et sous l'irradiation LSPR (Figure 4B, rouge). Le Pd-AuNR à pointe pointue est observé à la suite de la photoréduction par des électrons chauds plasmoniques générés sous l'irradiation de LSPR. Ces pointes de nanorod pointues coïncident avec les facettes de fin Au (111) qui sont caractéristiques des graines AuNR penta-jumelles30. De telles facettes de fin exacerbées ne sont pas observées pour AuNR mélangé avec H2PdCl4 dans l'obscurité. L'analyse de la distribution de la taille des longueurs de tiges dans la figure 4C indique que l'irradiation de LSPR augmente la longueur moyenne de la tige de 127 nm à 129 nm, en raison de la présence de photoréduit. Une épaisseur apparente de inférieure à 2 nm est confirmée dans une carte de spectroscopie dispersive d'énergie (EDS) d'un Pd-AuNR représentatif, montrée dans la figure 4D. Aucun changement de diamètre de tige n'est observé (39,1 nm dans un état sombre contre 39,2 nm sous irradiation LSPR). Dans l'ensemble, l'AR des tiges passe de 3,27 à 3,30 (0,34 euros) en raison de l'augmentation de la longueur des nanorods. Ces mesures de la taille de la population sont compatibles avec le petit décalage rouge LSPR de 7 nm mesuré à la figure 2.

Figure 1
Figure 1 : Analyse de spectroscopie UV-vis de transmission du mélange de réaction AuNR-H2PdCl4.
Les spectres montrant les caractéristiques typiques d'absorption de LMCT et de SPR lors de l'ajout séquentiel de MeOH (noir solide) et DeH 2PdCl4 (bleu pointillé) à une solution AuNR de 0,5 mM de stock (noir pointillé). Après 1 h d'équilibre dans l'obscurité (bleu massif), l'irradiation LSPR à large bande avec un filtre à passage long de 715 nm (35 mW/cm2; zone ombragée rouge) catalyse la photoréduction sur une période de 24 h (rouge massif et jaune, 2 h de temps). La consommation de MeOH au fur et à mesure que la réaction progresse est observable autour de 950 nm. Les flèches guident l'œil pour montrer les tendances dans les changements de longueur d'onde LMCT avec le temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Analyse de spectroscopie de transmission vis-NIR des modes SPR d'AuNR doublement lavé avant (noir) et après ajout - photoréduction de H 2 (en) PdCl (PdCl) 4 ( en plus) (rouge).
Des changements respectifs dans la longueur d'onde résonnante () et l'expansion de la bande passante (FWHM) des modes TSPR et LSPR après la réduction photo de H2PdCl4 sont enchavants. L'absorption de interbande accrue est évidente au-dessous de 480 nm.

Figure 3
Figure 3 : Analyse XPS d'AuNR avant (noir) et après irradiation LSPR en présence de H2 PdCl4 (rouge).
(A) Au 4d et 3d région montrant spin-orbite respective split 5/2 et 3/2 lignes. (B) Région Au 4f montrant spin-orbite split 7/2 et 5/2 lignes. (C) Valence bande DOS région, où 0 eV énergie de liaison est le niveau Fermi (EF).

Figure 4
Figure 4 : Analyse TEM de l'AuNR en présence de H2 PdCl4 dans l'éclairage sombre par rapport à LSPR.
(A) Micrographies TEM d'AuNR mélangées avec H2PdCl4 dans l'obscurité pendant 24 h et lavées 2x. (B) Micrographies TEM d'AuNR mélangées à H2PdCl4 sous excitation LSPR pendant 24 h et lavées 2x. (C) Fonction de distribution cumulative (CDF) des longueurs de nanorod, où le bleu et le rouge correspondent aux conditions sombres et lumineuses, respectivement. (D) Cartographie EDS des signaux Au (violet) et (vert) à la pointe de la nanorod représentative qui a été irradiée en résonance en présence de H2PdCl4.

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Discussion

La surveillance des changements dans l'absorption optique à l'aide de la spectroscopie UV-vis de transmission est utile pour évaluer l'état de la réaction photocatalytique, avec une attention particulière aux caractéristiques LMCT de H2PdCl4. Les maxima de longueur d'onde des caractéristiques de LMCT après l'injection de H2PdCl4 à l'étape 2.3.1 (passant du noir massif au bleu solide dans la figure 1) fournissent un aperçu de l'« environnement » local du [PdCl4]2- molécules1 ( par exemple, coordination électrostatique avec les groupes de tête Net de CTAB suivie du transport vers la surface DenR1 et/ou la spéciation moléculaire consécutive à l'hydrolyse et/ou à l'oxolation31,32,33 ). L'ampleur des caractéristiques du LMCT pendant l'irradiation (rouge foncé à jaune à la figure 1) quantifie la concentration de H2PdCl4 restant en solution car le précurseur est progressivement photoréduit à0 pendant le LSPR irradiation. Si les caractéristiques LMCT ne diminuent pas en magnitude pendant l'irradiation, alors la réaction photocatalytique n'a pas lieu (la concentration de CTAB pourrait être trop élevée et le lavage supplémentaire est recommandé). Un aplatissement de la queue longue longueur d'onde sur la fonction Lorentzian LSPR devrait se produire autour de 950 nm (voir l'étiquette « Consommation de MeOH » dans la figure 1) pendant l'irradiation de LSPR à la suite de la récupération sacrificielle des trous chauds de MeOH sur les surfaces D'AuNR12 pour maintenir la neutralité de charge1. Les modes SPR peuvent être surveillés pendant la réaction, mais leurs longueurs d'onde et leurs intensités semblent contenir peu d'informations quantitatives en ce qui concerne le statut progressif de la réaction1. Cela est dû à la multitude d'effets de convoluting des changements parallèles dans (i) l'environnement électrolytique précurseur au fil du temps (par exemple, l'indice de réfraction des solvants efficace séminude et / ou la queue de la bande précurseur d'd 'd) vs (ii) changements morphologiques (par exemple, l'allongement de tige). Si la solution présente une couleur brun foncé /orange après 3 h avec une large absorption UV sans fonctionnalités, il est probable que PdOx s'est formé. Toute dénombrement résiduel, non consommé H2PdCl4 sera évident dans l'analyse XPS où les lignes divalentes 3d (c.-à-p.,2) se produiront environ 2,5 eV plus élevé en énergie de liaison que les lignes métalliques indiquées dans la figure 3.

Les changements de minutes dans la longueur d'onde finale de LSPR après la photodeposition de, comme indiqué dans la figure2, sont typiques du processus de photodeposition plasmonique en utilisant des graines de NR1. D'autres structures de semences ou ratios atomiques Pd:Au, cependant, peuvent entraîner des changements plus drastiques et restent à examiner. Mécanisme de croissance de la coquillage, où le LSPR est régi par le rapport global d'aspect tige,1,34 semble être responsable de la LSPR minutieusement changée. Par exemple, une croissance moyenne de la longueur de 4,7 nm a été récemment signalée pour le pt photodéposé sur AuNR dans des conditions similaires qui conduisent à une augmentation AR de 4,4 à 4,7 (1,0) et a suivi un mécanisme de croissance anisotrope noyau-coquille1. C'est en contraste frappant avec les méthodes de chimie humide rapportant des morphologies haltères qui donnent 50-250 nm LSPR rouge-shifts pour nanorods22,35,36,37. L'épaisseur ultime de peut être augmentée en ajoutant le H2PdCl4 additionnel dans l'étape de protocole 2.3.1 (par exemple, total de 62,5 l de 10 mM H2PdCl4 pour un rapport atomique de 1:2 Pd:Au). Les expansions de la FWHM dans le LSPR semblent être principalement le résultat de la polydispersity de dépôt de38, par opposition à une signature d'amortissement1.

L'avant-dernière morphologie structurale résultant de la photoréduction plasmon-conduite des sels métalliques, tels que H2PdCl4, est supposée être régie par la distribution spatiale des électrons chauds plasmoniques sous l'excitation de LSPR dont l'énergie absorbée dépasse le potentiel de réduction du précurseur1,22,39. Bien que seulement encore démontré pour et Pt1,13, la technique est prévue pour être favorable à d'autres métaux, tels que Ag, Ni, Ir, Cu, Co, Ru, etc. Cela en fait une technique potentiellement puissante et flexible pour synthétiser les structures plasmoniques hétérométalliques avec des caractéristiques inférieures à 5 nm, en particulier, pour les photocatalyseurs plasmoniques. À son stade actuel, la technique se limite au dépôt en phase de solution sur des métaux plasmoniques suspendus colloïdement. Il est possible d'effectuer une photodéposition plasmonique réductrice dans des environnements en phase gazeuse (p. ex., dans un four à dépôt de vapeur chimique) pour un traitement à fort volume, mais reste à explorer.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Ce travail a été parrainé par le Laboratoire de recherche de l'Armée de terre et a été réalisé en vertu de l'accord de coopération de l'USARL Numéro W911NF-17-2-0057 attribué à G.T.F. Les points de vue et les conclusions contenus dans ce document sont ceux des auteurs et ne doivent pas être interprétés comme représentant les politiques officielles, exprimées ou implicites, du Laboratoire de recherche de l'Armée de terre ou du gouvernement des États-Unis. Le gouvernement des États-Unis est autorisé à reproduire et à distribuer des réimpressions à des fins gouvernementales, malgré toute notation de droit d'auteur dans les cas.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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).

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Rétraction Numéro 150 plasmons de surface électrons chauds porte-avions chauds nanoparticules hétérométalliques photochimie photocatalyseurs photodéposition Au-Pd
Photodeposition de sur Colloidal Au Nanorods par Surface Plasmon Excitation
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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).

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