הדור של Zerovalent מתכת Core חלקיקים שימוש n- (2-aminoethyl) -3-aminosilanetriol

Summary

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

Abstract

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.

Introduction

ככל שהביקוש והיישומים של עליות ננו המעצב, אז לעשות את השיטות השונות של סינתזה. שיטות "מלמעלה למטה", כגון אבלציה ליזר או תחריט כימי כבר מועסקות controllability המעולה שלהם ויכלו לפתור חומרים באופן מהימן עד לרמה תת-מיקרון. שיטות אלו מבוסס על חומרים בתפזורת מעובדת למרכיבים עדינים, אשר בדרך כלל להגדיל את העלות של ייצור כמו גודל ננו-המבנה הרצוי פוחתות. שיטה חלופית של סינתזה זו הגישה "מלמטה למעלה", השולטת סינתזה ברמה מולקולרית ובונה עד ננו-המבנה הרצוי. זה מקנה מידה משמעותית של שליטה על הרכבה עצמית, הפונקציונלית רצויה, פסיביות, ויציבות בדור של חומרי nanostructured אלה ^1. הודות לשיתוף פעולה מהרמה המולקולרית, nanocomposites היברידית יכול להיווצר לספק את היתרונות של שני החומרים בתוך אותה structuמִחָדָשׁ.

כמו ננו מסונתז באמצעות האסטרטגיה מלמטה למעלה, שיטות צריכות להיות מועסק על מנת לשלוט גודל חלקיקים, צורה, מרקם, הידרופוביות, נקבובי, פריצה, ופונקציונלי ^2. בסינתזת nanoparticle מתכת ליבה, מלח המתכת הראשוני מצטמצם בתהליך autocatalytic ליצור חלקיקי אפס ערכי, אשר בתורו לכוון את ההתגרענות של חלקיק אחר. זה מוביל clustering ^ו -3 ייצור ננו-חלקיקים לבסוף. במאמץ לשלוט על הגודל של חלקיקים שנוצרו ולמנוע מהם מזרזים מתוך פתרון, מייצב כגון הליגנדים, פעיל שטח, מטען יוני, ופולימרים גדולים מנוצלים על יכל לחסום חלקיקים מן למסכת נוספת ^4-10. חומרים אלו מעכבים את האטרקציה ואן דר ואלס של החלקיקים, בין אם באמצעות הפרעה סטרית בשל נוכחותם של קבוצות מגושמות או דרך Coulombic ³ repulsions.

בשנת tעבודתו, סיר קליל, אחד, אסטרטגיה סינטתית עבור דור של חלקיקי ליבת מתכת שונה באמצעות silane, n- (2-aminoethyl) -3-aminosilanetriol (2-AST) מוצגת (איור 1). הליגנדים על המתחם הזה הוא מסוגלים להפחית מבשרי מתכת וייצוב חלקיקי מתכת עם יעילות גבוהה יחסית. השלושה moieties silanol הנוכחי הם גם מסוגלים crosslinking וזה מהווה רשת המקושרים ביניהם של פולימר organosilane ספוג חלקיקים בתוך המטריצה ​​שלה (איור 2). בניגוד לרוב silanes, אשר עוברים הידרוליזה בקלות בנוכחות מים, המתחם הזה הוא התייצב במים, דבר המהווה יתרון למטרות הידרופוביות, יציבות ושליטה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

הערה: כל ריאגנטים משמשים הוא מיצרן ללא טיהור נוספת. התגובות היו במעקב במשך עד שבוע באמצעות ספקטרוסקופיית UV-Vis כדי להבטיח הפחתה מלאה. כל תגובות מתבצעים מתחת למכסת מנוע אוורור לבוש בטיחות המתאימה משוחק בכל עת, כולל כפפות, משקפי מגן עיניים, בחלוקי מעבדה.

1. סינתזה של חלקיקי כסף

1. תשקלי 0.0169 גרם (0.1 מילימול) של חנקת הכסף ישירות לתוך בקבוק Erlenmeyer 50 מ"ל.
2. מוסיפים 20 מ"ל של 18.2 MΩ מים ultrapure ובר בוחש מגנטי. מכסי בקבוק עם פקק על מנת למנוע אידוי.
3. בקבוק מקום באמבט שמן ממוקם על צלחת בוחש / חם להבטיח הטמפרטורה שמתוחזק על 60 מעלות צלזיוס.
4. לאט לאט להוסיף 144 μl (0.2 מילימול) של-AST 2 באמצעות micropipette דיוק. כמה פעמים פיפטה Flush בתמיסה כדי להבטיח את כל silane מועבר לתוך התמיסה.
5. קח קריאות ספקטרוסקופיה-Vis UVעל פי פרוטוקול המנויים בסעיף 5.
6. לאחר 6 שעות, להסיר מדגם מהאמבטיה שמן ולהעביר בקבוקון 20 מ"ל מדגם לאחסון, TEM, FTIR וניתוח נוסף.
   הערה: סינתזה של חלקיקי זהב ופלדיום כדלקמן סכומי שיטת stoichiometric אותו למעט חלקיקי זהב הדורשים 216 μl (0.3 מילימול) 2-AST. התגובה עשויה להמשיך לייצר חלקיקים עד 2 שבועות, אך שיעור לא משמעותי לעומת שיעוריו ראשוניים.

2. מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים (TEM) לדוגמא הכנה

1. ודא המדגם כי מתקרר RT.
2. מניחים רשת נחושת 200 פחמן רשת מצופה formvar על גבי פיסת נייר נקי מסנן.
3. בעזרת פיפטה פסטר מפלסטיק 1 מ"ל יצוק ירידה של כ -60 μl של המדגם nanoparticle ישירות על גבי הרשת.
4. אפשר לרשת להתייבש במשך 24 שעות לפני ההדמיה.
5. קח תמונות TEM ברזולוציה גבוהה עם התנאים הבאים:10 מיקרו-אמפר הנוכחי 100 kV מאיץ מתח ^22.

3. תהודה מגנטית גרעינית לדוגמא הכנה (NMR)

הערה: בצע התמ"ג ב RT. בטמפרטורות גבוהות אותות עשויים להתגבש, אשר מדרדר את איכות ספקטרה שהושגה.

1. בעזרת פיפטה דיוק, פיפטה 50 μl של פחמן דו דאוטריום (D _{2 O)} לתוך צינור NMR נקי.
2. עם אחר פיפטה דיוק נקי, פיפטה 400 μl של מדגם ננו-חלקיקים לתוך הצינור אותו NMR.
   1. כמו דגימות עשויים לדבוק הקירות הפנימיים של צינור NMR, להוסיף לאט פתרונות לתוך צינור NMR. אם המדגם אינו לדבוק, מכסה את הצינור ולנער את החלק העליון של הצינור לכפות הפתרון התחתון.
3. מערבבים את המדגם על ידי רועד צינור היפוך NMR שוב ושוב.
4. צינור מדגם מקום לתוך התמ"ג אם עוקבים אחרי ההוראות שקבע פרוטוקול NMR שסיפק יצרן. למעלה מ -1,000 סריקות עשויים להיות נחוץ עבור מיל נאהolution בתוכנית הדופק NMR פרוטון ¹ H.
   הערה: קירות צינור NMR צריכים להיות נקיים. מומלץ כי הקיר החיצוני של הצינור הוא ניגב עם מיקרופייבר או מטלית חינם מוך לפני ניתוח לבהירות ספקטרה.
5. בטל מדגם בסיום. אל תחזור מדגם פתרון ההורה.

4. Fourier Transform Infrared (FTIR) לדוגמא הכנה ספקטרוסקופיה

1. מניחים 2 מ"ל של מדגם ננו-חלקיקים לתוך מיכל זכוכית קטנה. צינור 3 מ"ל או 1 DRAM בקבוקון זכוכית עובד היטב.
2. ייבש את הדגימות ידי הצבה מיכל זכוכית ייבוש ואקום מצויד ברזלים.
3. צרף ייבוש מנגנון משאבת ואקום. ייבוש של דגימות עשוי לקחת כמה שעות, בהתאם לחוזק ואקום. שקול דגימות להתייבש לאחר אין נוזל גלוי במיכל.
4. גרדו את המדגם בעזרת מרית נקייה לאסוף חומרים מוצקים.
5. מניח חומר מוצק על ספקטרוסקופ ATR-FTIR מצויד cryst ZnSeלייזר דיודה al.
6. השג ספקטרה FTIR שילוב 32 סריקות בין 4,000-500 ^-1 ס"מ עם רזולוציה ספקטרלית של 2.0. השתמש רקע האוויר ^23.

5. UV-Vis לדוגמא הכנה ספקטרוסקופיה

1. לנהל ספקטרוסקופיה UV-Vis על דגימות ננו-חלקיקים הנמצאים דילול אחד כדי עשרה מדגם ננו-חלקיקים למים כך הרוויה דבר זה אינו קורה בניתוח ספקטרומטר.
2. הסר דגימות nanoparticle עבור UV-Vis תוך התגובה פועלת במרווחים של חצי שעה.
3. בעזרת פיפטה דיוק, להסיר 100 μl של חומר ננו-חלקיקים ומקום לתוך קובט פלסטיק.
4. הוסף 1 מ"ל של מים ultrapure לאותו קובט ומערבבים היטב על ידי שטיפה פיפטה מספר פעמים.
5. UV-Vis ספיגה ספקטרום שיא בין 250-800 ננומטר.
6. לאחר ניתוח, לא לחזור מדגם התגובה. השלך אנליטי באופן הולם.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

התגובה היה פיקוח באמצעות ספקטרומטריית UV-Vis כמו היווצרות nanoparticle צריך לייצר פסגות מאפיין לכל הננו-חלקיק מתכת בודדים. בניתוח הסופי של חומרים מסונתזים הושג באמצעות TEM ו- FTIR. ספקטרה FTIR התקבלה אבקת יבשים של דגימות. הניתוח גודל החלקיקים ניתן להשיג על ידי מד?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

מלח דיווח בעיתון זה הוא המלחים רק שנבדקו מתכת זה. כתוצאה מכך, אין הוודאות כי אסטרטגית תגובה זה יעבוד עם כל המלחים של המתכות, בעיקר זהב. המסיסות של מלחים אלה במים עלולה גם להשפיע על התוצאה של התגובה במונחים של זמן תגובה, מורפולוגיה, ותשואות. בכל התגובות, silane התווסף פתרון ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

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