Эффективный и контролируемый синтез наночастиц золота

Наночастицы золота однородной формы и морфологии могут быть эффективно синтезированы с помощью сонохимического пути. Ультразвуковая химическая реакция синтеза наночастиц золота может точно контролироваться по размеру частиц, форме (например, наносферам, наностержням, нанопроводникам и т. д.) и морфологии. Эффективная, простая, быстрая и экологичная химическая процедура позволяет надежно производить наноструктуры золота в промышленных масштабах.

Наночастицы и наноструктуры золота

Наночастицы золота и наноразмерные структуры широко реализованы в R&D и промышленные процессы из-за уникальных свойств наноразмерного золота, включая электронные, магнитные и оптические характеристики, квантовые эффекты размера, поверхностный плазмонный резонанс, высокую каталитическую активность, самосборку среди других свойств. Области применения наночастиц золота (Au-NPs) варьируются от использования в качестве катализатора до производства наноэлектронных устройств, а также использования в визуализации, нанофотонике, наномагнитных, биосенсорах, химических датчиках, для оптических и теностических применений, доставки лекарств, а также других применений.

Методы синтеза наночастиц золота

Наноструктурированные частицы золота могут быть синтезированы различными путями с использованием высокоэффективной ультразвуковой установки. Ультразвуковая обработка является не только простой, эффективной и надежной методикой, кроме того, обработка ультразвуком создает условия для химического восстановления ионов золота без токсичных или агрессивных химических агентов и позволяет формировать наночастицы благородных металлов различной морфологии. Выбор маршрута и сонохимической обработки (также известной как соносинтез) позволяет получать наноструктуры золота, такие как наностеры золота, наностержни, нанопроводники и т. Д. С одинаковым размером и морфологией.
Ниже вы можете найти выбранные сонохимические пути для получения наночастиц золота.

Ультразвуково улучшенный метод Туркевича

Ультразвук используется для усиления реакции цитрат-редукции Туркевича, а также модифицированные процедуры Туркевича.
Метод Туркевича производит умеренно монодисперсные сферические наночастицы золота диаметром около 10-20 нм. Более крупные частицы могут быть получены, но за счет монодисперсности и формы. В этом методе горячую хлорауровую кислоту обрабатывают раствором цитрата натрия, производящим коллоидное золото. Реакция Туркевича протекает через образование переходных золотых нанопроволок. Эти золотые нанопроволоки отвечают за темный внешний вид реакционного раствора до того, как он станет рубиново-красным.
Fuentes-García et al. (2020), которые сонохимически синтезировали наночастицы золота, сообщают, что возможно производство наночастиц золота с высоким абсорбционным взаимодействием, используя ультразвук в качестве единственного источника энергии, снижая лабораторные требования и контролируя свойства, изменяя простые параметры.
Lee et al. (2012) продемонстрировали, что ультразвуковая энергия является ключевым параметром для получения сферических наночастиц золота (AuNPs) перестраиваемых размеров от 20 до 50 нм. Соносинтез посредством восстановления цитрата натрия производит монодисперсные сферические наночастицы золота в водном растворе в атмосферных условиях.

Метод Туркевича-Френса с использованием ультразвука

Модификацией вышеописанного пути реакции является метод Туркевича-Френса, который представляет собой простой многоступенчатый процесс синтеза наночастиц золота. Ультразвуковая узика продвигает путь реакции Туркевича-Френса так же, как и путь Туркевича. Начальной ступенью многоступенчатого процесса Туркевича-Френса, где реакции происходят последовательно и параллельно, является окисление цитрата, дачащего дикарбовый ацетон. Затем аурическая соль восстанавливается до аурозной соли и Au.⁰, и аврическая соль собирается на Au⁰ атомы для образования AuNP (см. схему ниже).

Синтез наночастиц золота методом Туркевича.
схема и исследование: ©Zhao et al., 2013

Это означает, что дикарбовый ацетон, возникающий в результате окисления цитрата, а не самого цитрата, действует как фактический стабилизатор AuNP в реакции Туркевича-Френса. Цитратная соль дополнительно изменяет рН системы, что влияет на размер и распределение по размерам наночастиц золота (AuNPs). В этих условиях реакции Туркевича-Френса производятся почти монодисперсные наночастицы золота с размерами частиц от 20 до 40 нм. Точный размер частиц может быть изменен при изменении рН раствора, а также по ультразвуковым параметрам. Цитрат-стабилизированные AuNPs всегда больше 10 нм из-за ограниченной восстановительной способности дигидрата тринатрия цитрата. Однако использование D₂O в качестве растворителя вместо H₂O при синтезе AuNPs позволяет синтезировать AuNPs с размером частиц 5 нм. В качестве добавления D₂O увеличение понижающей силы цитрата, комбинации D₂O и C₆ЧАС_{9 До 9}На₃О_{9 До 9}. (ср. Чжао и др., 2013)

Протокол по сонохимическому маршруту Туркевич-Френс

Для синтеза наночастиц золота в процедуре «снизу вверх» методом Туркевича-Френса 50 мл хлорауровой кислоты (HAuCl)₄), 0,025 мМ заливают в стеклянный стакан емкостью 100 мл, в который входит 1 мл 1,5% (мас./об.) водного раствора цитрата тринатрия (Na)₃Ct) добавляется под ультразвуком при комнатной температуре. Ультразвук проводился при 60 Вт, 150 Вт и 210 Вт. На₃Ct/HAuCl₄ соотношение, используемое в образцах, составляет 3:1 (w/v). После ультразвуковой ультразвуковой основе коллоидные растворы показали различные цвета: фиолетовый для 60 Вт и рубиново-красный для образцов 150 и 210 Вт. Меньшие размеры и более сферические кластеры наночастиц золота были получены путем увеличения мощности ультразвука, в соответствии со структурной характеристикой. Fuentes-García et al. (2021) показывают в своих исследованиях сильное влияние увеличения ультразвуковой обшивки на размер частиц, многогранную структуру и оптические свойства сонохимически синтезированных наночастиц золота и кинетику реакции на их образование. Оба наночастицы золота размером 16 нм и 12 нм могут быть получены с помощью индивидуальной сонохимической процедуры. (Фуэнтес-Гарсия и др., 2021)

а,б) Изображение ТЕА и (c) распределение по размерам сонохимически синтезированных наночастиц золота (AuNPs)
Фото и исследование: © Dheyab et al., 2020.

Сонолиз наночастиц золота

Другим методом экспериментальной генерации частиц золота является сонолиз, где ультразвук применяется для синтеза частиц золота диаметром менее 10 нм. В зависимости от реагентов сонолитическая реакция может проводиться различными способами. Например, ультразвуком водного раствора HAuCl₄ с глюкозой гидроксильные радикалы и радикалы пиролиза сахара действуют как восстановители. Эти радикалы образуются в межфазной области между коллапсующими полостями, созданными интенсивным ультразвуком, и объемной водой. Морфология наноструктур золота представляет собой нанорембы шириной 30–50 нм и длиной в несколько микрометров. Эти ленты очень гибкие и могут изгибаться с углами, превышаемыми 90°. Когда глюкоза заменяется циклодекстрином, олигомером глюкозы, получают только сферические частицы золота, предполагая, что глюкоза необходима для направления морфологии к ленте.

Примерный протокол сонохимического нано-золотого синтеза

Материалы-предшественники, используемые для синтеза AuNPs с цитратным покрытием, включают HAuCl₄, цитрат натрия и дистиллированная вода. Чтобы подготовить образец, первым шагом было растворение HAuCl.₄ в дистиллированной воде с концентрацией 0,03 М. Впоследствии решение HAuCl₄ (2 мл) добавляли по каплям к 20 мл водного раствора цитрата натрия 0,03 М. Во время фазы смешивания в раствор вставляли ультразвуковой зонд высокой плотности (20 кГц) с ультразвуковым рупором на 5 мин при мощности зондирования 17,9 Вт·см.²
(см. Дабей в al. 2020)

Синтез нанобелта золота с использованием ультразвука

Одиночные кристаллические нанопроводы (см. изображение TEM слева) могут быть синтезированы с помощью ультразвука водного раствора HAuCl₄ при наличии α-D-глюкозы в виде реагенов. Сониохимически синтезированные золотые нанобелты показывают среднюю ширину от 30 до 50 нм и длину в несколько микрометров. Ультразвуковая реакция для производства золотых нанопроводов проста, быстра и позволяет избежать использования токсичных веществ. (см. Чжан и др., 2006)

Поверхностно-активные вещества влияют на сонохимический синтез НП золота

Применение интенсивного ультразвука на химические реакции инициирует и способствует конверсии и выходу. Для получения однородного размера частиц и определенных целевых форм/морфологий выбор поверхностно-активных веществ является критическим фактором. Добавление спиртов также помогает контролировать форму и размер частиц. Например, в присутствии a-d-глюкозы основные реакции в процессе сонолиза водного HAuCl₄ как показано в следующих уравнениях (1-4):
(1) Ч₂ O —> H∙ + OH∙
(2) сахарно-> радикалы пиролиза
(3) АСМ + снижение радикалов — > Au⁰
(4) нАу⁰ —> AuNP (нанопроводы)
(ср. Чжао и др., 2014)

Мощность ультразвуковых аппаратов зондового типа

Ультразвуковые зонды или сонотроды (также называемые ультразвуковыми рожками) обеспечивают высокоинтенсивный ультразвук и акустическую кавитацию в очень сфокусированной форме в химические растворы. Эта точно контролируемая и эффективная передача силового ультразвука обеспечивает надежные, точно контролируемые и воспроизводимые условия, в которых пути химической реакции могут быть инициированы, усилены и переключены. Напротив, ультразвуковая ванна (также известная как ультразвуковой очиститель или резервуар) доставляет ультразвук с очень низкой плотностью мощности и случайно возникающими кавитационными пятнами в большой объем жидкости. Это делает ультразвуковые ванны ненадежными для любых сонохимических реакций.
«Ванны ультразвуковой очистки имеют плотность мощности, которая соответствует небольшому проценту от той, которая генерируется ультразвуковым рупором. Использование чистящих ванн в сонохимии ограничено, учитывая, что не всегда достигается полностью однородный размер частиц и морфология. Это связано с физическим воздействием ультразвука на зародышивание и растущие процессы». (Гонсалес-Мендоса и др., 2015)

Высокоэффективные ультразвуковые аппараты для синтеза наночастиц золота

Hielscher Ultrasonics поставляет мощные и надежные ультразвуковые процессоры для сонохимического синтеза (соносинтеза) наночастиц, таких как золото и другие наноструктуры благородных металлов. Ультразвуковое перемешивание и дисперсия увеличивают массоперенос в гетерогенных системах и способствуют смачиванию и последующему зарождению атомных кластеров с целью осаждения наночастиц. Ультразвуковой синтез наночастиц является простым, экономически эффективным, биосовместимым, воспроизводимым, быстрым и безопасным методом.
Hielscher Ultrasonics поставляет мощные и точно управляемые ультразвуковые процессоры для формирования наноразмерных структур, таких как наностеры, наностержни, наноленты, наноленты, нанокластеры, частицы ядра-оболочки и т. Д.
Наши клиенты ценят интеллектуальные функции цифровых устройств Hielscher, которые оснащены интеллектуальным программным обеспечением, цветным сенсорным дисплеем, автоматическим протоколом передачи данных на встроенной SD-карте и имеют интуитивно понятное меню для удобной и безопасной работы.
Охватывая весь диапазон мощности от 50-ваттных портативных ультразвуковых аппаратов для лаборатории до мощных промышленных ультразвуковых систем мощностью 16 000 Вт, Hielscher имеет идеальную ультразвуковую установку для вашего применения. Сонохимическое оборудование для периодического и непрерывного поточного производства в проточных реакторах легко доступно при любом настольном и промышленном размерах. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях и в сложных условиях.

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: