Die Erzeugung von nullwertigen Metallkern Nanopartikel unter Verwendung von N- (2-Aminoethyl) -3-aminosilanetriol

Zusammenfassung

A novel method for metal core nanoparticle synthesis using a water stable silanol is described.

Zusammenfassung

In this work, a facile one-pot reaction for the formation of metal nanoparticles in a water solution through the use of n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol is presented. This compound can be used to effectively reduce and complex metal salts into metal core nanoparticles coated with the compound. By controlling the concentrations of salt and silane one is able to control reaction rates, particle size, and nanoparticle coating. The effects of these changes were characterized through transmission electron microscopy (TEM), UV-Vis spectrometry (UV-Vis), Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). A unique aspect to this reaction is that usually silanes hydrolyze and cross-link in water; however, in this system the silane is water-soluble and stable. It is known that silicon and amino moieties can form complexes with metal salts. The silicon is known to extend its coordination sphere to form penta- or hexa-coordinated species. Furthermore, the silanol group can undergo hydrolysis to form a Si-O-Si silica network, thereby transforming the metal nanoparticles into a functionalized nanocomposites.

Einleitung

Da die Nachfrage und Anwendungen von Nanomaterialien Designer erhöht sich auch die verschiedenen Methoden der Synthese. Die "top-down" Verfahren wie Laserablation oder chemisches Ätzen wurden für ihre ausgezeichnete Steuerbarkeit und die Fähigkeit zur Lösung von Materialien zuverlässig bis in den Sub-Mikrometerbereich eingesetzt. Diese Verfahren beruhen auf Schüttgütern in feinere Komponenten verarbeitet werden, die typischerweise die Produktionskosten erhöhen, da die gewünschte Nanostruktur Größe abnimmt. Ein alternatives Verfahren zur Synthese dazu ist der "bottom-up" Ansatz, der Synthese auf molekularer Ebene steuert und baut auf die gewünschte Nanostruktur auf. Dies verleiht ein hohes Maß an Kontrolle über die gewünschte Selbstorganisation, Funktionalität, Passivität, und Stabilität in der Erzeugung dieser nanostrukturierten Materialien ^1. Durch die von der molekularen Ebene arbeiten, können Hybrid-Nanoverbundwerkstoffe erzeugt werden, sofern die Vorteile beider Materialien innerhalb der gleichen structuRe.

Als Nanomaterialien durch die Bottom-up-Strategie synthetisiert werden, müssen Methoden eingesetzt werden Partikelgröße zu steuern, Form, Textur, Hydrophobie, Porosität, Ladung und Funktionalität ^2. In Metallkern Nanopartikelsynthese, die anfängliche Metallsalz wird in einem autokatalytischen Prozess reduziert nullwertigen Teilchen zu erzeugen, die wiederum die Keimbildung weiterer Partikel richten. Dies führt zu einer Bündelung und schließlich zur Herstellung von Nanopartikeln ^3. In dem Bemühen, die Größe von Nanopartikeln erzeugt zu steuern und zu verhindern, dass sie aus der Lösung ausgefällt, Stabilisatoren, wie Liganden, Tenside, Ionenladung und große Polymere sind für ihre Fähigkeit ausgenutzt Nanopartikeln aus ^4-10 weitere Agglomeration zu blockieren. Diese Materialien hemmen die van der Waals-Anziehung der Nanopartikel, entweder durch sterische Hinderung aufgrund der Anwesenheit von sperrigen Gruppen oder durch Coulomb-Abstoßung ^3.

in tseine Arbeit, eine einfache, ein Topf, Synthesestrategie für die Erzeugung von verschiedenen Nanopartikeln Metallkern mit dem Silan, wird N- (2-Aminoethyl) -3-aminosilanetriol (2-AST) vorgestellt (Abbildung 1). Liganden dieser Verbindung sind in der Lage Metallvorläufer reduziert und Metall-Nanopartikel mit einer relativ hohen Wirksamkeit zu stabilisieren. Die drei Silanol-Reste vorhanden sind, auch zur Vernetzung befähigten und dies bildet ein zusammenhängendes Netzwerk von Organosilan-Polymer mit Nanopartikeln innerhalb seiner Matrix imprägniert (Abbildung 2). Anders als die meisten Silane, die leicht Hydrolyse in Gegenwart von Wasser unterzogen werden, wird diese Verbindung in Wasser stabilisiert, das zur Hydrophobierungszwecke vorteilhaft ist, Stabilität und Kontrolle.

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Protokoll

Anmerkung: Alle Reagenzien verwendet werden, wie von Hersteller ohne weitere Reinigung ist. Die Reaktionen wurden für bis zu einer Woche über UV-Vis-Spektroskopie, um eine vollständige Reduktion überwacht. Alle Reaktionen werden unter einer Dunstabzug durchgeführt und entsprechende Schutzkleidung ist zu allen Zeiten getragen, einschließlich der Handschuhe, Schutzbrille und Kittel.

1. Synthese von Silbernanopartikeln

1. Abwiegen 0,0169 g (0,1 mmol) Silbernitrat direkt in einen 50 ml Erlenmeyerkolben.
2. In in 20 ml 18,2 M & Omega; von ultrareinem Wasser und einem magnetischen Rührstab. Bedecken Kolben mit Stopfen Verdunstung verhindern.
3. Danach wird der Kolben in einem Ölbad auf einem Rührer / Heizplatte entfernt und sicherzustellen, dass die Temperatur bei 60 ° C gehalten.
4. Langsam 144 & mgr; l (0,2 mmol) 2-AST einen Präzisionsmikropipette. Flush Pipette mehrmals in Lösung Alle Silan gewährleistet ist, in die Lösung überführt.
5. Nehmen UV-Vis-Spektroskopie Lesungengemäß dem Protokoll in Abschnitt 5 aufgeführt.
6. Nach 6 Stunden, entfernen Probe aus dem Ölbad und Transfer in ein 20 ml Probenfläschchen für die Lagerung, TEM, FTIR und weitere Analysen.
   Anmerkung: Synthese von Gold und Palladium-Nanopartikel nach den gleichen Verfahren und stöchiometrischen Mengen mit Ausnahme von Gold-Nanopartikel erfordert 216 ul (0,3 mmol) 2-AST. Die Reaktion kann weiterhin Nanopartikel zu erzeugen, für bis zu 2 Wochen, aber die Geschwindigkeit ist nicht signifikant im Vergleich zu Anfangsgeschwindigkeit.

2. Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Probenvorbereitung

1. Stellen Sie sicher, dass die Probe auf Raumtemperatur abgekühlt ist.
2. Legen Sie eine 200 Kohlenstoff-Gitter Formvar beschichteten Kupfernetz auf ein sauberes Stück Filterpapier.
3. Mit einem 1 ml Kunststoff Pasteurpipette, guss Tropfen etwa 60 ul des Nanopartikels Probe direkt auf das Gitter.
4. Zulassen Raster für 24 Stunden vor der Bilderzeugung zu trocknen.
5. Nehmen hochauflösenden TEM-Aufnahmen mit den folgenden Bedingungen:10 uA Strom und 100 kV Beschleunigungsspannung ^22.

3. Kernspinresonanz (NMR) Probenvorbereitung

Hinweis: Führen NMR bei RT. Bei hohen Temperaturen können Signale vereinigen, was die Qualität der erhaltenen Spektren abbaut.

1. Unter Verwendung einer Präzisionspipette, Pipette 50 ul Deuterium dioxid _{(D 2 O)} in ein sauberes NMR-Röhrchen.
2. Mit einem anderen sauberen pipettiert Pipette 400 ul Nanopartikel Probe in der gleichen NMR-Röhrchen.
   1. Als Proben an den Innenwänden des NMR Gefäßes haften, langsam Lösungen in das NMR-Röhrchen hinzu. Wenn Probe haftet, Das Röhrchen und schütteln Sie das obere Ende des Rohrs die Lösung auf den Boden zu zwingen.
3. Mischen Sie die Probe durch Schütteln und mehrmals die NMR-Röhrchen invertiert.
4. Platz Probenröhrchen in die NMR folgenden Richtungen eingestellt NMR-Protokoll vom Hersteller zur Verfügung gestellt. Ein nach oben von 1.000 Scans können für die richtige Auflösung notwendig sein,lösung ^{in einem 1} H Protonen-NMR-Impuls-Programm.
   Hinweis: NMR-Röhrchen Wände sollte sauber sein. Es wird empfohlen, dass die Außenwand der Röhre mit einem Mikrofaser oder fusselfreien Tuch vor der Analyse für Spektren Klarheit gewischt wird.
5. Entsorgen Probe, wenn Sie fertig. Nicht zu übergeordneten Lösung zurückkehren Probe.

4. Fourier Transform Infrared (FTIR) Spektroskopie Probenvorbereitung

1. Platzieren 2 ml Nanopartikel Probe in einen kleinen Glasbehälter. Ein 3-ml-Tube oder 1 Dram Glasfläschchen gut funktioniert.
2. Trockne die Proben durch Anordnen des Glasbehälters in einem Vakuumexsikkator mit einem Absperrhahn versehen.
3. Bringen Exsikkator Vakuumpumpvorrichtung. Die Trocknung der Proben kann einige Stunden dauern, je nach Vakuumfestigkeit. Betrachten Proben trocknen, nachdem es keinen sichtbaren Flüssigkeit in Behälter ist.
4. Kratzen Sie die Probe nach unten mit einem sauberen Spatel und festen Materialien sammeln.
5. Zeigen festes Material auf ATR-FTIR-Spektroskop mit einem ZnSe Kri ausgestattetal Diodenlaser.
6. Erhalten FTIR Spektren 32 Scans zwischen 4,000-500 ^{cm -1} mit einer spektralen Auflösung von 2.0 zu integrieren. Verwenden Sie die Klima Hintergrund ^23.

5. UV-Vis-Spektroskopie Probenvorbereitung

1. Zuführen UV-Vis-Spektroskopie an Nanopartikel Proben, die in einem 9.59 Verdünnung von Nanopartikelprobe Wasser sind, so dass die Sättigung in Spektrometeranalyse nicht auftritt.
2. Entfernen Nanopartikel Proben für die UV-Vis während Reaktion wird in halbstündigen Intervallen ausgeführt wird.
3. Unter Verwendung einer Präzisionspipette, nehmen 100 ul von Nanopartikel-Material und in einen Kunststoff Küvetten.
4. 1 ml hochreinem Wasser auf den gleichen Küvetten und gründlich mischen, indem die Pipette mehrmals gespült.
5. Nehmen UV-Vis-Absorptionsspektrum zwischen 250 bis 800 nm.
6. Nach der Analyse nicht zurück Probe zur Reaktion. Entsorgen des Analyten in angemessener Weise.

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Ergebnisse

Die Reaktion wurde mittels UV-Vis-Spektroskopie überwacht als Nanopartikelbildung charakteristischen Peaks für jedes einzelne Metall-Nanopartikel produzieren sollte. Die endgültige Analyse der synthetisierten Materialien wurde durch TEM und FTIR durchgeführt. Die FTIR-Spektren wurde aus getrockneten Pulvers von Proben erhalten. Die Partikelgrößenanalyse kann über TEM und Mittelung erhaltenen Ergebnisse durch die Messung von Nanopartikeln Durchmesser von Bildern durchgeführt werde...

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Diskussion

Salze in dieser Veröffentlichung sind die einzigen Salze, die dieses Metalls getestet wurden. Infolgedessen ist es ungewiss, dass diese Reaktion Strategie alle Salze der Metalle funktionieren würde, insbesondere Gold. Die Löslichkeit dieser Salze in Wasser kann auch das Ergebnis der Reaktion in Bezug auf die Reaktionszeit, die Morphologie beeinflussen, und Ausbeuten. In allen Reaktionen wurde das Silan zu einem bereits gelösten Metallsalz-Lösung gegeben.

Es sei darauf hingewiesen, dass ...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol (2-AST)	Gelest	SIA0590.0	25% in H2O
Silver nitrate	Sigma Aldrich	S6506
Gold(III) chloride trihydrate	Sigma Aldrich	520918
Palladium(II) Nitrate	Alfa Aesar	11035
Deuterium Dioxide	Cambridge Isotope Laboratories	DLM-4-100