JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
자동 번역
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
화학

Photoafzetting van PD op colloïdaal au nanodeeltjes door oppervlakte Plasmon excitatie

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

Summary

Een protocol voor anisotrope foto afzetting van PD op Aqua-Suspended au nano via gelokaliseerde oppervlak Plasmon excitatie wordt gepresenteerd.

Abstract

Een protocol wordt beschreven om fotokatalytisch te begeleiden PD afzetting op au nano (aunr) met behulp van de oppervlakte Plasmon resonantie (SPR). Opgewonden plasmonic hete elektronen bij SPR-bestraling rijden reductieve afzetting van PD op colloïdaal AuNR in de aanwezigheid van [PdCl4]2-. Plasmon-gedreven reductie van secundaire metalen versterkt covalente, subgolflengte depositie op gerichte locaties samenvalt met elektrisch veld “hot-spots” van de plasmonic substraat met behulp van een extern veld (bijvoorbeeld laser). Het hierin beschreven proces beschrijft een oplossingfase afzetting van een katalytisch-actief edelmetaal (PD) van een overgangs metaalhalide-zout (H2pdcl4) op de watervrije, anisotrope plasmonische structuren (aunr). Het oplossingsfase proces is vatbaar voor het maken van andere Bimetaal architecturen. Transmissie UV-VIS bewaking van de fotochemische reactie, in combinatie met ex-situ XPS en statistische tem-analyse, bieden onmiddellijke experimentele feedback om de eigenschappen van de Bimetaal structuren te evalueren terwijl ze evolueren tijdens de fotokatalytische reactie. Resonant Plasmon bestraling van AuNR in de aanwezigheid van [PdCl4]2- creëert een dunne, covalently-gebonden PD0 shell zonder enig significant dempend effect op zijn plasmonic gedrag in deze representatieve experiment/batch. Over het algemeen biedt plasmonic photoafzetting een alternatieve route voor hoge volume, economische synthese van opto-elektronische materialen met sub-5 nm-kenmerken (bijv. heterometallic fotokatalysatoren of opto-elektronische interconnects).

Introduction

Het geleiden van metalen afzetting op plasmonische substraten via plasmonic hete dragers opgewekt uit een resonante extern veld zou kunnen ondersteunen 2-stappen vorming van heterometallic, anisotrope nanostructuren bij omgevingscondities met nieuwe vrijheidsgraden1 ,2,3. Conventionele redox chemie, damp depositie en/of elektro depositie benaderingen zijn niet geschikt voor de verwerking van grote volumes. Dit is voornamelijk te wijten aan overtollig/opofferings reagens afval, lage doorvoer 5 + stap lithografie processen en energie-intensieve omgevingen (0,01-10 Torr en/of 400-1000 °C temperaturen) met weinig of geen directe controle over resulterende materiaalkenmerken . Onderdompeling van een plasmonische ondergrond (bv. au nanodeeltjes/zaad) in een precursor omgeving (bv. waterige PD zoutoplossing) onder verlichting op het gelokaliseerde oppervlak Plasmon Resonance (SPR) initieert uitwendig afstemmingen (d.w.z. veld polarisatie en intensiteit) fotochemische afzetting van de precursor via plasmonische hete elektronen en/of fotothermische hellingen3,4. De protocol parameters/-vereisten voor de plasmonically-gestuurde fotothermische ontleding van au-, Cu-, PB-en Ti-organometallics en ge-hydriden op nanogestructureerde AG-en au-substraten zijn bijvoorbeeld gedetailleerd met5,6, 7,8,9. Echter, gebruik van femtosecondelaser plasmonic hete elektronen aan direct photoreduce metaalzouten in een metaal-oplossing interface blijft grotendeels onontwikkeld, afwezige processen met citraat of poly (vinylpyrrolidon) liganden die fungeren als intermediair charge Relais naar directe nucleatie/groei van de secundaire metalen2,10,11,12. Anisotropic PT-decoratie van au nano (aunr) onder longitudinale SPR (lspr) excitatie werd onlangs gerapporteerd1,13 waar de PT verdeling viel samen met de dipool polariteit (dat wil zeggen, de veronderstelde ruimtelijke verdeling van Hot carriers).

Het Protocol hierin breidt uit op recente PT-AuNR werk met PD en markeert belangrijke synthese metrische gegevens die kunnen worden waargenomen in real-time, tonen de reductieve plasmonic photoafzetting techniek is van toepassing op andere metaalhalide zouten (AG, ni, IR, enz.).

Protocol

1. toewijzing van au nano Opmerking: Cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB)-bedekt AuNR kan worden gesynthetiseerd door natte chemie (stap 1,1) of commercieel gekocht (stap 1,2) volgens de voorkeur van de lezer, waarbij elk soortgelijke resultaten oplevert. De resultaten in dit werk waren gebaseerd op commercieel geproduceerde, AuNR met Penta-Twinned kristallen structuur. Impact van AuNR Seed Crystal structure (d.w.z. monokristallijne versus Penta-Twinned) op de uiteindelijke morfologie van de sec…

Representative Results

Transmissie UV-VIS spectra, X-ray Photoelectron spectroscopie (XPS) data, en Transmission Electron microscopie (TEM) beelden werden verkregen voor de door cTab bedekte aunr in de aanwezigheid/afwezigheid van H2pdcl4 in het donker en onder resonante straling bij hun longitudinale SPR (LSPR) om de nucleatie/groei van PD te katalyseren. transmissie UV-VIS spectra in Figuur 1 en Figuur 2 geven inzicht in de reactie dynamiek volgens veranderinge…

Discussion

Het monitoren van veranderingen in optische extinctie met behulp van transmissie UV-VIS-spectroscopie is nuttig om de status van de fotokatalytische reactie te beoordelen, met bijzondere aandacht voor de LMCT-kenmerken van H2pdcl4. Golflengte maxima van LMCT-functies na injectie van H2pdcl4 bij stap 2.3.1 (gaande van effen zwart naar effen blauw in Figuur 1) geven inzicht in de lokale “omgeving” van de [pdcl4]2- moleculen<sup …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd gesponsord door het Army Research Laboratory en werd uitgevoerd onder de coöperatieve overeenkomst van USARL W911NF ‐ 17 ‐ 2 ‐ 0057 toegekend aan G.T.F. De standpunten en conclusies in dit document zijn die van de auteurs en mogen niet worden geïnterpreteerd als een vertegenwoordiging van officieel beleid, expliciet of impliciet, van het laboratorium voor leger onderzoek of de Amerikaanse overheid. De Amerikaanse overheid is gemachtigd om herdrukken voor overheidsdoeleinden te reproduceren en te distribueren, ongeacht de auteursrechtelijke notatie hierin.

Materials

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).

Tags

Keyword Extraction:PhotodepositionPdColloidal Au NanorodsSurface Plasmon ExcitationReductive Plasmonic PhotodepositionEpitaxial Metal GrowthPlatinumSilverCatalytic ApplicationsHydrochloric AcidPalladium(II) ChlorideGold NanorodCetyltrimethyl Ammonium BromideMethanolDihydrogen TetrochloropallidateTungsten-halogen Lamp

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image