Kulla nanoosakeste tõhus ja kontrollitud süntees
Ühtlase kuju ja morfoloogiaga kulla nanoosakesi saab tõhusalt sünteesida sonokeemilisel teel. Kulla nanoosakeste sünteesi ultraheli edendatud keemilist reaktsiooni saab täpselt kontrollida osakeste suuruse, kuju (nt nanosfäärid, nanorodid, nanobeltid jne) ja morfoloogia osas. Tõhus, lihtne, kiire ja roheline keemiline protseduur võimaldab kulla nanostruktuure tööstuslikus mastaabis usaldusväärselt toota.
Kulla nanoosakesed ja nanostruktuurid
Kulla nanoosakesi ja nanosuuruses struktuure rakendatakse laialdaselt R-is&D ja tööstuslikud protsessid, mis tulenevad nanosuuruses kulla ainulaadsetest omadustest, sealhulgas elektroonilised, magnetilised ja optilised omadused, kvantsuuruse mõjud, pinnaplasmoni resonants, kõrge katalüütiline aktiivsus, iseseisvumine muude omaduste hulgas. Kulla nanoosakeste (Au-NP) kasutusvaldkonnad ulatuvad katalüsaatorina kasutamisest nanoelektrooniliste seadmete tootmiseni, samuti kasutamisest pildistamisel, nano-fotoonikas, nanomagnetilistes, biosensorites, keemilistes andurites, optilistes ja teranostilistes rakendustes, ravimite manustamisel ja muudes kasutusvaldkondades.
Kulla nanoosakeste sünteesi meetodid
Nano-struktureeritud kullaosakesi saab sünteesida erinevate marsruutide kaudu, kasutades suure jõudlusega ultraheli. Ultraheliuuring ei ole mitte ainult lihtne, tõhus ja usaldusväärne tehnika, lisaks loob ultrahelitöötlus tingimused kullaioonide keemiliseks redutseerimiseks ilma toksiliste või karmide keemiliste aineteta ning võimaldab moodustada erineva morfoloogiaga väärismetallide nanoosakesi. Marsruudi ja sonokeemilise töötluse valik (tuntud ka kui sonosüntees) võimaldab toota ühtlase suuruse ja morfoloogiaga kulla nanostruktuure, nagu kulla nanosfäärid, nanorodid, nanobeltid jne.
Allpool leiate valitud sonokeemilised teed kulla nanoosakeste valmistamiseks.
Ultraheli täiustatud Turkevitši meetod
Sonikatsiooni kasutatakse Turkevitši tsitraadi redutseerimise reaktsiooni, samuti modifitseeritud Turkevitši protseduuride intensiivistamiseks.
Turkevitši meetod toodab tagasihoidlikult monodispersseid sfäärilisi kulla nanoosakesi, mille läbimõõt on umbes 10–20 nm. Suuremaid osakesi saab toota, kuid monodisperssuse ja kuju hinnaga. Selles meetodis töödeldakse kuuma kloroauriinhapet naatriumtsitraadi lahusega, saades kolloidse kulla. Turkevitši reaktsioon toimub mööduvate kulla nanokiudude moodustumise teel. Need kuldsed nanojuhtmed vastutavad reaktsioonilahuse tumeda välimuse eest enne, kui see muutub rubiinpunaseks.
(2020), kes sonokeemiliselt sünteesisid kulla nanoosakesi, teatavad, et on võimalik toota kõrge neeldumisreaktsiooniga kulla nanoosakesi, kasutades ultraheli kui ainsat energiaallikat, vähendades laborinõudeid ja kontrollides lihtsaid parameetreid muutvaid omadusi.
(2012) näitas, et ultraheli energia on peamine parameeter sfääriliste kulla nanoosakeste (AuNP) tootmiseks, mille häälestatav suurus on 20 kuni 50 nm. Sonosüntees naatriumtsitraadi redutseerimise teel tekitab monodispersseid sfäärilisi kulla nanoosakesi vesilahuses atmosfääritingimustes.
Turkevitši-Frensi meetod ultraheli abil
Ülalkirjeldatud reaktsioonitee muutmine on Turkevich-Frensi meetod, mis on lihtne mitmeastmeline protsess kulla nanoosakeste sünteesiks. Ultraheli soodustab Turkevitši-Frensi reaktsioonirada samamoodi nagu Turkevitši marsruut. Turkevitši-Frensi mitmeastmelise protsessi esimene samm, kus reaktsioonid toimuvad järjestikku ja paralleelselt, on tsitraadi oksüdatsioon, mis annab dikarboksüatsetooni. Seejärel redutseeritakse auriumsool auroosseks soolaks ja Au0ja auroosne sool on kokku pandud Au-le0 aatomid, mis moodustavad AuNP (vt skeemi allpool).
Kulla nanoosakeste süntees Turkevitši meetodil.
scheme and study: ©Zhao et al., 2013[/caption]
See tähendab, et tsitraadi, mitte tsitraadi enda oksüdeerimisel tekkiv dikarboksüatsetoon toimib Turkevitši-Frensi reaktsioonis tegeliku AuNP stabilisaatorina. Tsitraatsool muudab lisaks süsteemi pH-d, mis mõjutab kulla nanoosakeste (AuNP) suuruse ja suuruse jaotust. Need Turkevitši-Frensi reaktsiooni tingimused tekitavad peaaegu monodispersseid kulla nanoosakesi, mille osakeste suurus on vahemikus 20 kuni 40 nm. Osakeste täpset suurust saab muuta nii lahuse pH kui ka ultraheli parameetrite muutmisel. Tsitraadiga stabiliseeritud AuNP-d on alati suuremad kui 10 nm, kuna trinaatriumtsitraatdihüdraadi redutseerimisvõime on piiratud. Kuid kasutades D2O kui lahusti H2O asemel AuNP-de sünteesi ajal võimaldab sünteesida AuNP-sid, mille osakeste suurus on 5 nm. Kuna D2O lisamine suurendab tsitraadi redutseerivat tugevust, siis D2O ja C kombinatsioon6H9Na3O9. (vrd Zhao et al., 2013)
Sonokeemilise Turkevitši-Frensi marsruudi protokoll
Kulla nanoosakeste sünteesimiseks alt-üles protseduuril Turkevich-Frens meetodil 50 ml kloroauriinhapet (HAuCl4), valatakse 0,025 mM 100 ml klaasist keeduklaasi, millesse 1 ml trinaatriumtsitraadi (Na3Ct) lisatakse ultraheli all toatemperatuuril. Ultraheliuuring viidi läbi 60W, 150W ja 210W juures. The Na3CT/HAuCl4 Proovides kasutatav suhe on 3:1 (w/v). Pärast ultraheliuuringut näitasid kolloidsed lahused erinevaid värve, violetsed 60 W ja rubiinpunased 150 ja 210 W proovides. Väiksemad suurused ja sfäärilisemad kulla nanoosakeste klastrid toodeti ultrahelitöötlusvõimsuse suurendamisega vastavalt struktuurilisele iseloomustusele. (2021) näitavad oma uuringutes suureneva ultrahelitöötluse tugevat mõju sonokeemiliselt sünteesitud kulla nanoosakeste osakeste suurusele, polühedraalsele struktuurile ja optilistele omadustele ning nende moodustumise reaktsioonikineetikale. Nii kulla nanoosakesi suurusega 16nm kui ka 12nm saab toota kohandatud sonokeemilise protseduuriga. (Fuentes-García et al., 2021)
Kulla nanoosakeste sonolüüs
Teine meetod kullaosakeste eksperimentaalseks genereerimiseks on sonolüüs, kus ultraheli rakendatakse alla 10 nm läbimõõduga kullaosakeste sünteesiks. Sõltuvalt reaktiividest võib sonolüütilist reaktsiooni käivitada mitmel viisil. Näiteks HAuCl vesilahuse ultrahelitöötlus4 Glükoosi, hüdroksüülradikaalide ja suhkru pürolüüsi radikaalidega toimivad redutseerijad. Need radikaalid moodustuvad intensiivse ultraheli ja lahtise vee tekitatud kokkuvarisevate õõnsuste vahelises liideses. Kulla nanostruktuuride morfoloogia on nanoribbonid laiusega 30–50 nm ja pikkusega mitu mikromeetrit. Need paelad on väga painduvad ja võivad painduda suuremate nurkadega kui 90°. Kui glükoos asendatakse glükoosi oligomeeri tsüklodekstriiniga, saadakse ainult sfäärilised kullaosakesed, mis viitab sellele, et glükoos on oluline morfoloogia suunamisel lindi poole.
Sonokeemilise nano-kulla sünteesi näidisprotokoll
Tsitraadiga kaetud AuNP-de sünteesimiseks kasutatavate lähteainete hulka kuuluvad HAuCl4, naatriumtsitraat ja destilleeritud vesi. Proovi ettevalmistamiseks hõlmas esimene samm HAuCl4 lahustamist destilleeritud vees kontsentratsiooniga 0,03 M. Seejärel lisati HAuCl4 (2 ml) lahus tilkhaaval 20 ml 0,03 M naatriumtsitraadi vesilahusele. Segamisfaasi ajal sisestati lahusesse 5 minutiks ultraheli sarvega suure tihedusega ultraheli sond (20 kHz) kõlavõimsusega 17,9 W · cm2
(vrd Dhabey at al. 2020)
Kulla nanobelti süntees ultrahelitöötluse abil
Üksikuid cristalline nanobelte (vt TEM-pilti vasakul) saab sünteesida HAuCl4 vesilahuse ultrahelitöötluse teel α-D-glükoosi juuresolekul reageenidena. Sonokeemiliselt sünteesitud kuldsed nanokellad näitavad keskmist laiust 30 kuni 50 nm ja mitme mikromeetri pikkust. Ultraheli reaktsioon kulla nanobeltide tootmiseks on lihtne, kiire ja väldib mürgiste ainete kasutamist. (vrd Zhang jt, 2006)
Pindaktiivsed ained kulla NP-de sonokeemilise sünteesi mõjutamiseks
Intensiivse ultraheli kasutamine keemilistel reaktsioonidel algatab ja soodustab konversiooni ja saagikust. Osakeste ühtlase suuruse ja teatud sihipäraste kujude / morfoloogiate saamiseks on pindaktiivsete ainete valik kriitiline tegur. Alkoholide lisamine aitab kontrollida ka osakeste kuju ja suurust. Näiteks a-d-glükoosi juuresolekul on peamised reaktsioonid HAuCl vesilahuse sonolüüsiprotsessis4 nagu on kujutatud järgmistes võrrandites (1–4):
(1) H2 O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) A
(4) nAu0 —> AuNP (nanobelts)
(vrd Zhao et al., 2014)
Sondi tüüpi ultrasonikaatorite võimsus
Ultraheli sondid või sonotroodid (mida nimetatakse ka ultraheli sarvedeks) pakuvad suure intensiivsusega ultraheli ja akustilist kavitatsiooni väga keskendunud kujul keemilistesse lahendustesse. See täpselt kontrollitav ja tõhus võimsuse ultraheli edastamine võimaldab usaldusväärseid, täpselt kontrollitavaid ja reprodutseeritavaid tingimusi, kus saab käivitada, intensiivistada ja vahetada keemilise reaktsiooni radasid. Seevastu ultraheli vann (tuntud ka kui ultraheli puhastaja või paak) annab ultraheli väga väikese võimsustihedusega ja juhuslikult esinevate kavitatsioonikohtadega suure vedeliku mahu. See muudab ultrahelivannid sonokeemiliste reaktsioonide jaoks ebausaldusväärseks.
"Ultraheli puhastusvannidel on võimsustihedus, mis vastab väikesele protsendile ultraheli sarve tekitatud mahust. Puhastusvannide kasutamine sonokeemias on piiratud, arvestades, et täielikult homogeenset osakeste suurust ja morfoloogiat ei saavutata alati. See on tingitud ultraheli füüsilisest mõjust tuumastumisele ja kasvuprotsessidele. (González-Mendoza et al. 2015)
- lihtne ühe poti reaktsioon
- kõrge kasutegur
- Ohutu
- kiire protsess
- odav
- lineaarne mastaapsus
- keskkonnasõbralik, roheline keemia
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid kulla nanoosakeste sünteesiks
Hielscher Ultrasonics varustab võimsaid ja usaldusväärseid ultraheli protsessoreid nanoosakeste, nagu kuld ja muud väärismetallide nanostruktuurid, sonokeemiliseks sünteesiks (sono-süntees). Ultraheli agitatsioon ja dispersioon suurendab massiülekannet heterogeensetes süsteemides ja soodustab aatomite klastrite niisutamist ja järgnevat tuumamist, et sadestada nanoosakesi. Nanoosakeste ultraheli süntees on lihtne, kulutõhus, bioühilduv, reprodutseeritav, kiire ja ohutu meetod.
Hielscher Ultrasonics varustab võimsaid ja täpselt kontrollitavaid ultraheli protsessoreid nano suurusega struktuuride moodustamiseks, nagu nanosheres, nanorods, nanobelts, nano-lindid, nanoklastrid, südamik-kesta osakesed jne.
Meie kliendid hindavad Hielscheri digitaalseadmete nutikaid funktsioone, mis on varustatud intelligentse tarkvara, värvilise puutetundliku ekraaniga, automaatse andmeprotokollimisega sisseehitatud SD-kaardil ja millel on intuitiivne menüü kasutajasõbralikuks ja ohutuks kasutamiseks.
Hõlmates kogu võimsusvahemikku alates 50 vatti käeshoitavatest ultrasonikaatoritest laborile kuni 16 000 vatti võimsad tööstuslikud ultraheli süsteemid, on Hielscheril teie rakenduse jaoks ideaalne ultraheli seadistus. Sonokeemilised seadmed partii- ja pidevaks inline-tootmiseks läbivoolureaktorites on hõlpsasti kättesaadavad igas stendis ja tööstuslikus suuruses. Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 operatsiooni raskeveokite ja nõudlikes keskkondades.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
---|---|---|
1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Kirjandus / Viited
- Pan, H.; Low, S;, Weerasuriya, N; Wang, B.; Shon, Y.-S. (2019): Morphological transformation of gold nanoparticles on graphene oxide: effects of capping ligands and surface interactions. Nano Convergence 6, 2; 2019.
- Fuentes-García, J.A.; Santoyo-Salzar, J.; Rangel-Cortes, E.; Goya, VG.;. Cardozo-Mata, F.; Pescador-Rojas, J.A. (2021): Effect of ultrasonic irradiation power on sonochemical synthesis of gold nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 70, 2021.
- Dheyab, M.; Abdul Aziz, A.; Jameel, M.S.; Moradi Khaniabadi, P.; Oglat, A.A. (2020): Rapid Sonochemically-Assisted Synthesis of Highly Stable Gold Nanoparticles as Computed Tomography Contrast Agents. Appl. Sci. 2020, 10, 7020.
- Zhang, J.; Du, J.; Han, B.; Liu, Z.; Jiang, T.; Zhang, Z. (2006): Sonochemical formation of single-crystalline gold nanobelts. Angewandte Chemie, 45 (7), 2006. 1116-1119
- Bang, Jin Ho; Suslick, Kenneth (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Cheminform 41 (18), 2010.
- Hinman, J.J.; Suslick, K.S. (2017): Nanostructured Materials Synthesis Using Ultrasound. Topics in Current Chemistry Volume 375, 12, 2017.
- Zhao, Pengxiang; Li, Na; Astruc, Didier (2013): State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews, Volume 257, Issues 3–4, 2013. 638-665.