Synthese van Ligand-vrij CdS Nanodeeltjes binnen een Zwavel copolymeermatrix
Summary
Herein we present a method to synthesize ligand-free cadmium sulfide (CdS) nanoparticles based on a unique sulfur copolymer. The sulfur copolymer operates as a high temperature solvent and a sulfur source during the nanoparticle synthesis and stabilizes the nanoparticles after the reaction.
Abstract
Aliphatic ligands are typically used during the synthesis of nanoparticles to help mediate their growth in addition to operating as high-temperature solvents. These coordinating ligands help solubilize and stabilize the nanoparticles while in solution, and can influence the resulting size and reactivity of the nanoparticles during their formation. Despite the ubiquity of using ligands during synthesis, the presence of aliphatic ligands on the nanoparticle surface can result in a number of problems during the end use of the nanoparticles, necessitating further ligand stripping or ligand exchange procedures. We have developed a way to synthesize cadmium sulfide (CdS) nanoparticles using a unique sulfur copolymer. This sulfur copolymer is primarily composed of elemental sulfur, which is a cheap and abundant material. The sulfur copolymer has the advantages of operating both as a high temperature solvent and as a sulfur source, which can react with a cadmium precursor during nanoparticle synthesis, resulting in the generation of ligand free CdS. During the reaction, only some of the copolymer is consumed to produce CdS, while the rest remains in the polymeric state, thereby producing a nanocomposite material. Once the reaction is finished, the copolymer stabilizes the nanoparticles within a solid polymeric matrix. The copolymer can then be removed before the nanoparticles are used, which produces nanoparticles that do not have organic coordinating ligands. This nascent synthesis technique presents a method to produce metal-sulfide nanoparticles for a wide variety of applications where the presence of organic ligands is not desired.
Introduction
Hoewel nuttig synthese bewezen conventionele alifatische liganden vormen een aantal uitdagingen voor de toepassing van nanodeeltjes in fotonische en elektrochemische apparaten. Alifatische liganden zijn sterk isolerend, waterafstotend, en een aanzienlijke belemmering voor de elektrochemische oppervlakte reacties. 1 Daarom hebben verschillende studies ontwikkeld ligand uitwisseling en ligand strippen protocollen die deze alifatische liganden te vervangen door functionele groepen, of dat ontdoen van de liganden aan een naakte nanodeeltje onthullen oppervlak. 1 – 3 Deze reacties, echter, stellen een aantal intrinsieke problemen. Zij aanzienlijk bij aan de complexiteit van het syntheseproces, niet altijd worden voltooid, en kan het oppervlak van de nanodeeltjes, waardoor aanzienlijke problemen tijdens fabricage inrichting kan opleggen bij gebruik van deze technieken verslechteren. 4
We hebben een zwavelgehalte copolymeer ontwikkeld datkan worden gebruikt als zowel een hoge temperatuur en oplosmiddel zwavelbron tijdens de synthese van CdS nanodeeltjes. 5 Dit copolymeer is gebaseerd op een netwerk copolymeer ontwikkeld door Chung et al. dat elementaire zwavel en 1,3-diisopropenylbenzeen (DIB) gebruikt. In 6 ons geval is een methylstyreen monomeer toegepast in plaats van DIB. De methylstyreen monomeer grenzen verknopingsreacties, die anders een hoogmoleculair copolymeer moleculair netwerk zou opleveren. 5,6 de aanwezigheid van slechts één vinylische functionele groep op de methylstyreen monomeer bevordert de vorming van oligomere groepen eenmaal verhit, waarbij de zwavel copolymeer maakt het mogelijk om werken als een vloeibaar solvent zwavelbron parallel tijdens het nanodeeltje synthese. 5 bijzonder wordt de zwavel polymeer door verhitting elementaire zwavel tot 150 ° C, waarbij de S veroorzaakt 8 ringen om de overgang naar een lineair gestructureerde vloeibare zwavel tweewaardige vorm. Vervolgens wordt methylstyreen geïnjecteerd i nto de vloeibare zwavel in een 01:50 molaire verhouding methylstyreen moleculen zwavelatomen. 5 De methylstyreen dubbele binding reageert met zwavel kettingen aan het copolymeer, zoals aangegeven in figuur 1. 5 De zwavel copolymeer wordt vervolgens afgekoeld en cadmium precursor is toegevoegd. Dit mengsel wordt vervolgens verwarmd tot 200 ° C, waarbij de zwavel copolymeer smelt en het nanodeeltje nucleatie en groeiprocessen geïnitieerd in de oplossing 5 A 20:. 1 molverhouding van zwavel cadmium precursor wordt gebruikt, zodat slechts een deel van de zwavel wordt verbruikt tijdens de reactie. 5 Dit copolymeer stabiliseert de nanodeeltjes door ze in een vaste polymeer matrix suspenderen nadat de reactie is beëindigd. 5 het copolymeer kan worden verwijderd na de synthese, resulterend in de productie van CdS nanodeeltjes die geen coördinerende organische liganden, zoals weergegeven in figuur 2. 5
NHOUD "> De synthetische methode die in dit werk is relatief eenvoudig in vergelijking met andere methoden die in de literatuur. 1 -. 3,7 Het is toepasselijk voor een breed scala van toepassingen waar de traditionele afgebonden nanodeeltjes problematisch of ongewenste hebben bewezen Deze techniek kan openslaande deuren naar hogere throughput testen, waarbij één partij van nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om een volledige spectrum latere funtionaliseringen bekijken zonder omslachtige en tijdrovende ligand stripping of uitwisselingsprocedures. 2,4,8,9 Deze geligeerde nanodeeltjes bieden eveneens mogelijkheden het aantal koolstof- defecten vaak waargenomen in gedrukte nanodeeltjes inrichtingen verminderen door het elimineren van de koolstofbron 10 -. 16 deze gedetailleerde protocol is bedoeld om andere uitvoering van deze nieuwe werkwijze en op te sporen zijn actief gebruik in diverse velden die vindt zij van bijzonder belang.Protocol
Representative Results
Discussion
We have developed a method to synthesize CdS nanoparticles within a sulfur copolymer matrix. This sulfur copolymer is composed of elemental sulfur and methylstyrene.5 An important feature of this method is that the copolymer can be used as both a high-temperature solvent and a sulfur source that reacts with a cadmium precursor to produce CdS nanoparticles in solution.5 The critical step in the procedure is the synthesis of the sulfur copolymer with a suitable ratio of methylstyrene and sulfur. The u…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors would like to acknowledge the State of Washington for supporting this research through the University of Washington Clean Energy Institute Exploratory Fellowship Program, and National Science Foundation (NSF) Sustainable Energy Pathway (SEP) Award CHE-1230615.
Materials
| Sulfur (S8), 99.5% | Sigma Aldrich | 84683 | |
| α-methylstyrene, 99% | Sigma Aldrich | M80903 | |
| Cadmium acetylacetonate (Cd(acac)), 99.9% | Sigma Aldrich | 517585 | Highly Toxic |
| Chloroform (CHCl3), 99.5% | Sigma Aldrich | C2432 | |
| Hotplate / magnetic stirrer | IKA RCT | 3810001 | |
| Temperature controller with probe and heating mantle | Oakton Temp 9000 | WD-89800 | |
| Centrifuge | Beckman Coulter Allegra X-22 | 392186 | |
| Centrifuge Tubes | Thermo Scientific | 3114 | Teflon for resistance to chlorinated solvents |
| TEM with attached EDS detector | FEI Tecnai G2 F-20 with EDAX detector | ||
| TEM Sample Grid | Ted Pella | 1824 | Ultrathin carbon film substrate with holey carbon support films on a 400 mesh copper grid |
| XRD | Bruker F-8 Focus Diffractometer | ||
| Molybdenum coated soda lime glass substrates | 750 nm thick sputtered molybdenum layer | ||
| Quartz Fluorescence Cuvettes | Sigma Aldrich | Z803073 | 10 mm by 10 mm, 4 polished sides with screw top |
| UV-Vis-NIR | Perkin Elmer Lambda 1050 Spectrometer | With 3D WB Detector Module | |
| PL | Horiba FL3-21tau Fluorescence Spectrophotometer |
Riferimenti
- Rosen, E. L., Buonsanti, R., Llordes, A., Sawvel, A. M., Milliron, D. J., Helms, B. A. Exceptionally Mild Reactive Stripping of Native Ligands from Nanocrystal Surfaces by Using Meerwein’s Salt. Angew. Chemie Int. Ed. 51 (3), 684-689 (2012).
- Anderson, N. C., Hendricks, M. P., Choi, J. J., Owen, J. S. Ligand exchange and the stoichiometry of metal chalcogenide nanocrystals: spectroscopic observation of facile metal-carboxylate displacement and binding. J. Am. Chem. Soc. 135 (49), 18536-18548 (2013).
- Owen, J. S., Park, J., Trudeau, P. E., Alivisatos, A. P. Reaction chemistry and ligand exchange at cadmium-selenide nanocrystal surfaces. J. Am. Chem. Soc. 130 (37), 12279-12281 (2008).
- Lokteva, I., Radychev, N., Witt, F., Borchert, H., Parisi, J., Kolny-Olesiak, J. Surface Treatment of CdSe Nanoparticles for Application in Hybrid Solar Cells: The Effect of Multiple Ligand Exchange with Pyridine. J. Phys. Chem. C. 114 (29), 12784-12791 (2010).
- Martin, T. R., Mazzio, K. A., Hillhouse, H. W., Luscombe, C. K. Sulfur copolymer for the direct synthesis of ligand-free CdS nanoparticles. Chem. Commun. 51 (56), 11244-11247 (2015).
- Chung, W. J., et al. The use of elemental sulfur as an alternative feedstock for polymeric materials. Nat. Chem. 5 (6), 518-524 (2013).
- Nag, A., Kovalenko, M. V., Lee, J. -. S., Liu, W., Spokoyny, B., Talapin, D. V. Metal-free Inorganic Ligands for Colloidal Nanocrystals S2-, HS-, Se2-, HSe-, Te2-, HTe-, TeS32-, OH-, and NH2- as Surface. J. Am. Chem. Soc. 133 (27), 10612-10620 (2011).
- Dong, A., et al. A generalized ligand-exchange strategy enabling sequential surface functionalization of colloidal nanocrystals. J. Am. Chem. Soc. 133 (4), 998-1006 (2011).
- Cossairt, B. M., Juhas, P., Billinge, S., Owen, J. S. Tuning the Surface Structure and Optical Properties of CdSe Clusters Using Coordination Chemistry. J. Phys. Chem. Lett. 2 (4), 3075-3080 (2011).
- Lee, E., Park, S. J., Cho, J. W., Gwak, J., Oh, M. -. K., Min, B. K. Nearly carbon-free printable CIGS thin films for solar cell applications. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 95 (10), 2928-2932 (2011).
- Bucherl, C. N., Oleson, K. R., Hillhouse, H. W. Thin film solar cells from sintered nanocrystals. Curr. Opin. Chem. Eng. 2 (2), 168-177 (2013).
- Cai, Y., et al. Nanoparticle-induced grain growth of carbon-free solution-processed CuIn(S,Se)2 solar cell with 6% efficiency. ACS Appl. Mater. Inter. 5 (5), 1533-1537 (2013).
- Zhou, H., et al. CZTS nanocrystals: a promising approach for next generation thin film photovoltaics. Energy Environ. Sci. 6 (10), 2822-2838 (2013).
- Polizzotti, A., Repins, I. L., Noufi, R., Wei, S. -. H., Mitzi, D. B. The state and future prospects of kesterite photovoltaics. Energy Environ. Sci. 6 (11), 3171-3182 (2013).
- Suehiro, S., et al. Solution-Processed Cu2ZnSnS4 Nanocrystal Solar Cells: Efficient Stripping of Surface Insulating Layers using Alkylating Agents. J. Phys. Chem. C. 118 (2), 804-810 (2013).
- Graeser, B. K., et al. Synthesis of (CuInS2)0.5(ZnS)0.5 Alloy Nanocrystals and Their Use for the Fabrication of Solar Cells via Selenization. Chem. Mater. 26 (14), 4060-4063 (2014).
- Yin, Y., Alivisatos, A. P. Colloidal nanocrystal synthesis and the organic-inorganic interface. Nature. 437 (7059), 664-670 (2005).
- Alivisatos, A. P. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 271 (5251), 933-937 (1996).
- Alivisatos, A. P. Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals. J. Phys. Chem. 100 (95), 13226-13239 (1996).
- Xiao, Q., Xiao, C. Surface-defect-states photoluminescence in CdS nanocrystals prepared by one-step aqueous synthesis method. Appl. Surf. Sci. 255 (16), 7111-7114 (2009).
- Zhang, J. Z. Interfacial Charge Carrier Dynamics of Colloidal Semiconductor Nanoparticles. J. Phys. Chem. B. 104 (31), 7239-7253 (2000).
- Joswig, J. -. O., Springborg, M., Seifert, G. Structural and Electronic Properties of Cadmium Sulfide Clusters. J. Phys. Chem. B. 104 (12), 2617-2622 (2000).
- Unni, C., Philip, D., Gopchandran, K. G. Studies on optical absorption and photoluminescence of thioglycerol-stabilized CdS quantum dots. Spectrochim. Acta. A. Mol. Biomol. Spectrosc. 71 (4), 1402-1407 (2008).
