Лиганд опосредованной зарождения и роста наночастиц металла палладия
Summary
Основная цель этой работы заключается в том, для прояснения роли укупорки агентов в регулировании размера палладия наночастиц, объединяя яn situ малоуглового рентгеновского рассеяния (лучей) и на основе лигандом кинетического моделирования.
Abstract
Размер, размер распределения и стабильности коллоидных наночастиц сильно страдают от присутствия укупорки лигандами. Несмотря на ключевой вклад укупорки лигандов во время реакции синтеза их роль в регулировании нуклеации и темпы роста наночастиц коллоидных хорошо не понимается. В этой работе, мы демонстрируем механистический расследование роли trioctylphosphine (сверху) в Pd наночастиц в различных растворителях (толуол и пиридина) с использованием в situ лучей и на основе лигандом кинетического моделирования. Наши результаты различных искусственных условиях показывают перекрытие зарождения и роста наночастиц Pd во время реакции, которая противоречит модель зарождения и роста Ламер типа. Модели приходится кинетика Pd-топ, обязательную силу для обоих, прекурсоров и поверхности частицы, которая необходима для захвата изменения размера, а также концентрация частиц в situ. Кроме того мы показываем прогностической силой нашей модели на основе лигандом путем разработки синтетических условий для получения наночастиц с желаемых размеров. Предлагаемая методология может быть применен к другим системам синтез и таким образом служит эффективной стратегией для прогнозирования синтез коллоидных наночастиц.
Introduction
Контролируемого синтеза металлических наночастиц имеет большое значение ввиду больших приложений наноструктурированных материалов в катализа, фотоэлектрические, фотоники, датчики и наркотиков доставки1,2,3, 4,5. Для синтеза наночастиц с определенных размеров и распределения размеров, жизненно важно понимать базового механизма для частиц зарождения и роста. Тем не менее получение наночастиц с такими критериями оспорил нано синтез сообщества из-за медленного прогресса в понимании механизмов синтеза и отсутствие надежной кинетических моделей, доступных в литературе. В 1950-х, Ламер предложена модель для зарождения и роста Золи серы, где есть всплеск нуклеации, следуют контролируемой диффузии рост ядер6,7. В этой предлагаемой модели, постулируется, что концентрации мономера увеличивается (за счет сокращения или разложение прекурсоров) и как только уровень выше критической Пересыщение, энергетического барьера для зарождения частиц могут быть преодолены, в результате в всплеск нуклеации (однородной нуклеации). Благодаря предлагаемой всплеск нуклеации, капли концентрации мономера и когда она падает ниже уровня критической Пересыщение нуклеации останавливается. Далее сформированные ядер постулированы расти через распространение мономеров к поверхности наночастиц, хотя без дополнительных нуклеации события происходят. Это приводит к эффективно отделять зарождения и роста во времени и контроль распределения размеров во время процесса роста8. Эта модель была использована для описания формирования различных наночастиц, включая9Ag, Au10, CdSe11и Fe3O412. Однако несколько исследований показано, что классическая зарождения теории (УНТ) невозможно описать формирование наночастицы коллоидных, в частности для металлических наночастиц, где1, наблюдается дублирование зарождения и роста 13,14,,1516,17. В одном из этих исследований Watzky и Финке создан двухступенчатый механизм для формирования Иридиум наночастиц13, в котором медленный непрерывный нуклеации перекрывается с поверхности роста быстро наночастиц (где рост автокаталитических). Медленно нуклеации и быстро автокаталитических роста наблюдались также для различных видов металлических наночастиц, например Pd14,15,18,19,Pt20и Rh21 ,22. Несмотря на последние достижения в разработке зарождения и роста модели1,23,24,25, роль лигандов часто игнорируется в предлагаемых моделей. Тем не менее лиганды показано, влияют на наночастицы размер14,,1526 и морфология19,27 , а также каталитической активности и избирательности28 , 29. Например, Ян и др. 30 управление размер наночастиц Pd, начиная от 9,5 и 15 Нм, меняя концентрацию trioctylphosphine (сверху). В синтезе магнитных наночастиц (Fe3O4), размер заметно сократилось с 11 до 5 Нм при лиганда (octadecylamine) металл прекурсоров соотношение увеличилось с 1 до 60. Интересно, что было показано размер наночастиц Pt быть чувствительным к длину цепочки аминов лигандов (например., n-hexylamine и octadecylamine), где меньших размеров наночастиц могут быть получены с использованием более цепи (т.е., 31octadecylamine).
Размер изменения, вызванные различные концентрации и различных видов лигандами-явное свидетельство для вклада лигандов в кинетике зарождения и роста. К сожалению мало исследований, приходилось роль лигандов и в этих исследованиях, были использованы некоторые предположения часто ради простоты, которые в свою очередь сделать эти модели применимы только для конкретных условий32,33. Говоря более конкретно Ремпель и коллег разработана кинетическая модель для описания формирования квантовых точек (CdSe) присутствии укупорки лигандами. Однако в их исследовании, Связывание лиганда с поверхности наночастиц предполагается на равновесии в любой данный момент времени32. Это предположение может справедливо, когда лиганды находятся в большой избыток. Наша группа недавно разработала новый лиганд ориентированная модель14 , который приходится для связывания укупорки лигандов с прекурсорами (комплекс металла) и поверхности наночастиц как обратимых реакций14. Кроме того наша модель на основе лиганд может использоваться в других системах металлических наночастиц, где синтеза кинетика, кажется, быть затронуты присутствием лигандами.
В текущем исследовании мы используем наш недавно разработанных лиганд-модель на основе для прогнозирования формирования и роста наночастиц Pd в различных растворителях, включая толуола и пиридина. Для нашей модели ввода в situ лучей был использован для получения концентрацию наночастиц и размер распределения во время синтеза. Измерение размера и концентрации частиц, дополняется кинетического моделирования, позволяет нам извлечь более точную информацию о зарождения и роста ставок. Мы также показывают, что наша модель на основе лигандом, который явно приходится Связывание лиганда металл, высоко интеллектуальный и могут быть использованы для разработки синтеза процедуры для получения наночастиц с желаемых размеров.
Protocol
Representative Results
Discussion
В этом исследовании мы представили мощные методологии для изучения влияния укупорки лигандов для зарождения и роста металлических наночастиц. Мы синтезированных Pd наночастиц в различных растворителях (толуол и пиридина) с помощью Pd ацетат как металла прекурсоров и сверху как лиганд. ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Работа финансировалась главным образом, Национальный фонд науки (NSF), признается химическое отделение (номер ЧЕ-1507370 премии). Айман м. Карим и Вэньхуэй ли признать частичной финансовой поддержке компанией 3M Non-штатный факультет премии. Это исследование используется ресурсы источника Advanced Фотон (излучение 12-ID-C, пользователь предложение GUP-45774), Департамента энергетики США (DOE) управление науки пользователя объекта действуют для Доу отделение науки Аргоннской национальной лаборатории по контракту № ДЕ AC02-06CH11357. Авторы хотели бы поблагодарить Yubing Лу, кандидат в отделе химического машиностроения в Virginia Tech за его любезное помощь с измерениями лучей. Представленные работы частично был казнен в центре комплексных нанотехнологий, механизма управления науки пользователей работали для Департамента энергетики США (DOE) управление науки. Лос-Аламосской национальной лаборатории, работодатель равных возможностей позитивных действий, были управляется Лос-Аламосской национальной безопасности, ООО, для администрации национальной ядерной безопасности министерства энергетики США по контракту де-AC52-06NA25396.
Materials
| palladium acetate (Pd(OAc)2) | ALDRICH | 520764 | |
| anhydrous acetic acid | SIAL | 338826 | |
| trioctylphosphine | ALDRICH | 718165 | |
| pyridine | MilliporeSigma | PX2012-7 | |
| toluene | SIAL | 244511 | |
| 1-hexanol | SIAL | 471402 | |
| N8 Horizon SAXS | Bruker | A32-X1 | |
| glovebox | Vaccum Atmospheres Co. | 109035 | |
| MR HEI-TEC 115V Hotplate | Heidolph | 5053000000 | |
| hotplate Monoblock insert | Heidolph | 5058000800 | |
| heat-On 25-ml insert | Heidolph | 5058006200 | |
| 7 mL vials | SUPELCO | 27518 | |
| micro stir bar PTFE | VWR | 58948-353 | |
| egg-Shaped Bars | Fisherbrand™ | 14-512-121 | |
| 25 mL round bottom flasks | ALDRICH | Z167495 | |
| quartz capillary | Hampton Research | HR6-148 | |
| MATLAB R2016b | MathWorks | ||
| Bruker SAXS 1.0v | Bruker | ||
| Diffrac Measurement Center 4.0v | Bruker |
Riferimenti
- Özkar, S., Finke, R. G. Palladium(0) Nanoparticle Formation, Stabilization, and Mechanistic Studies: Pd(acac)2 as a Preferred Precursor, [Bu4N]2HPO4 Stabilizer, plus the Stoichiometry, Kinetics, and Minimal, Four-Step Mechanism of the Palladium Nanoparticle Formation and Subsequent Agglomeration Reactions. Langmuir. 32 (15), 3699-3716 (2016).
- Ma, S., Tang, Y., Liu, J., Wu, J. Visible paper chip immunoassay for rapid determination of bacteria in water distribution system. Talanta. 120, 135-140 (2014).
- Jing, C., et al. New insights into electrocatalysis based on plasmon resonance for the real-time monitoring of catalytic events on single gold nanorods. Analytical chemistry. 86 (11), 5513-5518 (2014).
- Tobias, A., Qing, S., Jones, M. Synthesis, Characterization, and Functionalization of Hybrid Au/CdS and Au/ZnS Core/Shell Nanoparticles. Journal of Visualized Experiments. (109), e53383 (2016).
- Rezvantalab, H., Connington, K. W., Shojaei-Zadeh, S. Shear-induced interfacial assembly of Janus particles. Physical Review Fluids. 1 (7), 074205 (2016).
- Mer, V. K. L. Nucleation in Phase Transitions. Industrial & Engineering Chemistry. 44 (6), 1270-1277 (1952).
- LaMer, V. K., Dinegar, R. H. Theory, production and mechanism of formation of monodispersed hydrosols. Journal of the American Chemical Society. 72 (11), 4847-4854 (1950).
- Polte, J. Fundamental growth principles of colloidal metal nanoparticles-a new perspective. CrystEngComm. 17 (36), 6809-6830 (2015).
- Sugimoto, T., Shiba, F., Sekiguchi, T., Itoh, H. Spontaneous nucleation of monodisperse silver halide particles from homogeneous gelatin solution I: silver chloride. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 164 (2), 183-203 (2000).
- Yao, Q., et al. Understanding seed-mediated growth of gold nanoclusters at molecular level. Nature Communications. 8, (2017).
- van Embden, J., Sader, J. E., Davidson, M., Mulvaney, P. Evolution of Colloidal Nanocrystals: Theory and Modeling of their Nucleation and Growth. The Journal of Physical Chemistry C. 113 (37), 16342-16355 (2009).
- Vreeland, E. C., et al. Enhanced Nanoparticle Size Control by Extending LaMer’s Mechanism. Chemistry of Materials. 27 (17), 6059-6066 (2015).
- Watzky, M. A., Finke, R. G. Transition Metal Nanocluster Formation Kinetic and Mechanistic Studies. A New Mechanism When Hydrogen Is the Reductant: Slow, Continuous Nucleation and Fast Autocatalytic Surface Growth. Journal of the American Chemical Society. 119 (43), 10382-10400 (1997).
- Mozaffari, S., et al. Colloidal nanoparticle size control: experimental and kinetic modeling investigation of the ligand-metal binding role in controlling the nucleation and growth kinetics. Nanoscale. 9 (36), 13772-13785 (2017).
- Karim, A. M., et al. Synthesis of 1 nm Pd Nanoparticles in a Microfluidic Reactor: Insights from in Situ X-ray Absorption Fine Structure Spectroscopy and Small-Angle X-ray Scattering. The Journal of Physical Chemistry C. 119 (23), 13257-13267 (2015).
- Ortiz, N., Skrabalak, S. E. Manipulating local ligand environments for the controlled nucleation of metal nanoparticles and their assembly into nanodendrites. Angewandte Chemie International Edition. 51 (47), 11757-11761 (2012).
- Ortiz, N., Hammons, J. A., Cheong, S., Skrabalak, S. E. Monitoring Ligand-Mediated Growth and Aggregation of Metal Nanoparticles and Nanodendrites by In Situ Synchrotron Scattering Techniques. ChemNanoMat. 1 (2), 109-114 (2015).
- Abellan, P., et al. Gaining Control over Radiolytic Synthesis of Uniform Sub-3-nanometer Palladium Nanoparticles: Use of Aromatic Liquids in the Electron Microscope. Langmuir. 32 (6), 1468-1477 (2016).
- Yin, X., et al. Quantitative Analysis of Different Formation Modes of Platinum Nanocrystals Controlled by Ligand Chemistry. Nano Letters. 17 (10), 6146-6150 (2017).
- Besson, C., Finney, E. E., Finke, R. G. A Mechanism for Transition-Metal Nanoparticle Self-Assembly. Journal of the American Chemical Society. 127 (22), 8179-8184 (2005).
- Yao, S., et al. Insights into the Formation Mechanism of Rhodium Nanocubes. The Journal of Physical Chemistry C. 116 (28), 15076-15086 (2012).
- Asakura, H., et al. In situ time-resolved DXAFS study of Rh nanoparticle formation mechanism in ethylene glycol at elevated temperature. Physical Chemistry Chemical Physics. 14 (9), 2983-2990 (2012).
- Harada, M., Ikegami, R. In Situ Quick X-ray Absorption Fine Structure and Small-Angle X-ray Scattering Study of Metal Nanoparticle Growth in Water-in-Oil Microemulsions during Photoreduction. Crystal Growth & Design. 16 (5), 2860-2873 (2016).
- Lazzari, S., Abolhasani, M., Jensen, K. F. Modeling of the formation kinetics and size distribution evolution of II-VI quantum dots. Reaction Chemistry & Engineering. 2 (4), 567-576 (2017).
- Maceiczyk, R. M., Bezinge, L. Kinetics of nanocrystal synthesis in a microfluidic reactor: theory and experiment. Reaction Chemistry & Engineering. 1 (3), 261-271 (2016).
- LaGrow, A. P., Ingham, B., Toney, M. F., Tilley, R. D. Effect of Surfactant Concentration and Aggregation on the Growth Kinetics of Nickel Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C. 117 (32), 16709-16718 (2013).
- Lim, B., et al. Shape-controlled synthesis of Pd nanocrystals in aqueous solutions. Advanced Functional Materials. 19 (2), 189-200 (2009).
- Schrader, I., Warneke, J., Backenköhler, J., Kunz, S. Functionalization of Platinum Nanoparticles with l-Proline: Simultaneous Enhancements of Catalytic Activity and Selectivity. Journal of the American Chemical Society. 137 (2), 905-912 (2015).
- Wan, X. -. K., Wang, J. -. Q., Nan, Z. -. A., Wang, Q. -. M. Ligand effects in catalysis by atomically precise gold nanoclusters. Science Advances. 3 (10), e1701823 (2017).
- Yang, Z., Klabunde, K. J. Synthesis of nearly monodisperse palladium (Pd) nanoparticles by using oleylamine and trioctylphosphine mixed ligands. Journal of Organometallic Chemistry. 694 (7), 1016-1021 (2009).
- Wikander, K., Petit, C., Holmberg, K., Pileni, M. -. P. Size control and growth process of alkylamine-stabilized platinum nanocrystals: a comparison between the phase transfer and reverse micelles methods. Langmuir. 22 (10), 4863-4868 (2006).
- Rempel, J. Y., Bawendi, M. G., Jensen, K. F. Insights into the Kinetics of Semiconductor Nanocrystal Nucleation and Growth. Journal of the American Chemical Society. 131 (12), 4479-4489 (2009).
- Perala, S. R. K., Kumar, S. On the Mechanism of Metal Nanoparticle Synthesis in the Brust-Schiffrin Method. Langmuir. 29 (31), 9863-9873 (2013).
- Dreiss, C. A., Jack, K. S., Parker, A. P. On the absolute calibration of bench-top small-angle X-ray scattering instruments: a comparison of different standard methods. Journal of applied crystallography. 39 (1), 32-38 (2006).
- Li, T., Senesi, A. J., Lee, B. Small Angle X-ray Scattering for Nanoparticle Research. Chemical Reviews. 116 (18), 11128-11180 (2016).
- Kotlarchyk, M., Stephens, R. B., Huang, J. S. Study of Schultz distribution to model polydispersity of microemulsion droplets. The Journal of Physical Chemistry. 92 (6), 1533-1538 (1988).
- Watzky, M. A., Finney, E. E., Finke, R. G. Transition-Metal Nanocluster Size vs Formation Time and the Catalytically Effective Nucleus Number: A Mechanism-Based Treatment. Journal of the American Chemical Society. 130 (36), 11959-11969 (2008).
- Watzky, M. A., Finke, R. G. Nanocluster Size-Control and “Magic Number” Investigations. Experimental Tests of the “Living-Metal Polymer” Concept and of Mechanism-Based Size-Control Predictions Leading to the Syntheses of Iridium(0) Nanoclusters Centering about Four Sequential Magic Numbers. Chemistry of Materials. 9 (12), 3083-3095 (1997).
- Özkar, S., Finke, R. G. Nanoparticle Nucleation Is Termolecular in Metal and Involves Hydrogen: Evidence for a Kinetically Effective Nucleus of Three {Ir3H2x·P2W15Nb3O62}6- in Ir(0)n Nanoparticle Formation From [(1,5-COD)IrI·P2W15Nb3O62]8- Plus Dihydrogen. Journal of the American Chemical Society. 139 (15), 5444-5457 (2017).
- Sahu, P., Prasad, B. L. Time and temperature effects on the digestive ripening of gold nanoparticles: is there a crossover from digestive ripening to Ostwald ripening?. Langmuir. 30 (34), 10143-10150 (2014).
- Schwartzkopf, M., et al. Real-Time Monitoring of Morphology and Optical Properties during Sputter Deposition for Tailoring Metal-Polymer Interfaces. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (24), 13547-13556 (2015).
