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

Фотодепозиция Pd на коллоидные Au Nanorods по поверхности Плазмон Возбуждение

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

Summary

Представлен протокол для анизотропной фотодепозиции Pd на aqueously-suspended Au nanorods через локализованное возбуждение плазмоплазмы поверхности.

Abstract

Протокол описывается для фотокаталитически руководство Pd осаждения на Au nanorods (AuNR) с использованием поверхностного плазмонного резонанса (SPR). Возбужденные плазмонные горячие электроны на SPR облучение диск редуктивного осаждения Pd на коллоидных AuNR в присутствии »PdCl42–. Плазменное сокращение вторичных металлов потенцирует ковалентные, субволновые осаждения в целевых местах, совпадающих с электрическим полем “горячих точек” плазмонного субстрата с использованием внешнего поля (например, лазера). Процесс, описанный здесь подробно решение фазы осаждения каталитически-активных благородных металлов (Pd) из перехода металла галидной соли (H2PdCl4) на aqueously-suspended, анизотропические плазмонные структуры (AuNR). Процесс фазы решений податлив для создания других биметаллических архитектур. Трансмиссия УФ-виза мониторинга фотохимической реакции, в сочетании с ex situ XPS и статистический анализ TEM, обеспечивают немедленную экспериментальную обратную связь для оценки свойств биметаллических структур, как они развиваются во время фотокаталитическая реакция. Резонансное облучение плазмоном AuNR вприсутствии «PdCl 4»2- создает тонкую, ковалентно связанную оболочку Pd0 без какого-либо существенного демпфирующего эффекта на его плазмонное поведение в этом представительном эксперименте/пакете. В целом плазмонная фотодепозиция предлагает альтернативный маршрут для большого объема, экономичного синтеза оптоэлектронных материалов с суб-5 нм особенностями (например, гетерометаллические фотокатализаторы или оптоэлектронные соединения).

Introduction

Руководство осаждения металла на плазмонные субстраты с помощью плазмонных горячих носителей, генерируемых из резонансного внешнего поля, может поддерживать 2-ступенчатое образование гетерометаллических, анисотропных наноструктур в условиях окружающей среды с новыми степенями свободы1 ,2,3. Обычные подходы к химии редокса, осаждению пара и/или электродепозиции плохо подходят для обработки больших объемов. Это в первую очередь связано с избытком / жертвенных реагентов отходов, низкой пропускной 5 “шаг литографии процессов, и энергоемких средах (0,01-10 Торр и / или 400-1000 градусов по Цельсию температуры) практически без прямого контроля над резущими материальными характеристиками . Погружение плазмонного субстрата (например, Au nanoparticle/seed) в среду-предшественник (например, вакученный солевой раствор Pd) под освещение мультяшным резонансом поверхности (SPR) инициирует внешне-tunable (т.е., полярная полярная и интенсивность) фотохимическое осаждение прекурсора с помощью плазмонных горячихэлектронов и/или фототермальных градиентов 3,4. Например, параметры протокола/требования к плазменически управляемому фототермалитному разложению Au, Cu, Pb и Ti organometallics и гидридов Ge на наноструктурированных субстратах Ag и Au были детально описаны5,6, 7,8,9. Тем не менее, использование фемтосекундных плазмонных горячих электронов для непосредственного фотоснижения металлических солей при интерфейсе металл-решения остается в значительной степени неразвитой, отсутствующие процессы, использующие цитрат или поли (винилпирролидон) лиганды, выступающие в качестве промежуточного заряда реле для прямого ядра/роста вторичного металла2,10,11,12. Анисотропные Pt-украшение Au nanorods (AuNR) под продольным SPR (LSPR) возбуждение было недавно сообщено1,13, где распределение Pt совпало с дипольной полярности (т.е. предполагаемое пространственное распределение горячих носителей).

Протокол здесь расширяется на последние Pt-AuNR работы включить Pd и подчеркивает ключевые метрики синтеза, которые могут наблюдаться в режиме реального времени, показывая редуктивной плазмонной фотодепозиции техника применима к другим соли галида металла металла (Ag, Ni, Ir и т.д.).

Protocol

1. Распределение Au nanorods ПРИМЕЧАНИЕ: Cetyltrimethylammium бромид (CTAB) покрытые AuNR может быть синтезирован ауNR мокрой химии (шаг 1.1) или приобрели коммерчески (шаг 1.2) в соответствии с предпочтениями читателя, с каждым принося аналогичные результаты. Результаты этой работы были основаны…

Representative Results

Передача УФ-виза спектра, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) данные, и передачи электронной микроскопии (TEM) изображения были приобретены для CTAB покрытые AuNR в присутствии / отсутствие H2PdCl4 в темноте и под резонансным облучением на их продольных SPR (LSPR) для катали?…

Discussion

Мониторинг изменений в оптической абсорбции с помощью трансмиссионной уф-спектроскопии полезен для оценки состояния фотокаталитической реакции, уделяя особое внимание особенностям LMCT H2PdCl4. Волновая максима функций LMCT после инъекции H2PdCl4 на шаг 2.3.1 (переход от т…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа была организована Научно-исследовательской лабораторией армии и была выполнена в соответствии с соглашением USARL о сотрудничестве номер W911NF-17-2-0057, присужденной G.T.F. Мнения и выводы, содержащиеся в настоящем документе, являются мнениями авторов и не должны толковаться как представляющие официальную политику, выраженную или подразумеваемую, Научно-исследовательской лаборатории армии или правительства США. Правительство США уполномочено воспроизводить и распространять переиздания для правительственных целей, несмотря на любые авторские нотации в настоящем документе.

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
check_url/60041?article_type=t

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