Synthèse des nanoparticules métalliques : débloquer des propriétés de matériaux avancés

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Nanoparticules métalliques
Le terme nanoparticule métallique est utilisé pour décrire des métaux de taille nanométrique avec des dimensions (longueur, largeur ou épaisseur) dans la plage de taille 1-100 nm. Les nanoparticules métalliques affichent des propriétés très différentes de celles des atomes individuels, des surfaces ou des matériaux massifs. Les principales caractéristiques des NPM sont un rapport surface/volume important par rapport aux équivalents massifs, de grandes énergies de surface, l'existence comme transition entre les états moléculaires et métalliques fournissant une structure électronique spécifique (densité locale d'états LDOS), ont une excitation de plasmon, un confinement quantique, un ordre à courte portée, un nombre accru de crénelures, contiennent un grand nombre de sites de faible coordination tels que les coins et les bords, ayant un grand nombre de « liaisons pendantes » et par conséquent des propriétés chimiques et spécifiques et la capacité de stocker des électrons en excès.
Leurs applications potentielles incluent, par exemple, l'utilisation en biochimie, en catalyse et comme capteurs chimiques et biologiques, comme systèmes pour la nanoélectronique et le magnétisme nanostructuré.
Synthèse
Les méthodes chimiques incluent la réduction chimique de sels métalliques, le processus de réduction par alcool, le processus polyol, les microémulsions, la décomposition thermique de sels métalliques et la synthèse électrochimique. Les méthodes physiques incluent la technique du fil explosif, le plasma, le dépôt chimique en phase vapeur, l'irradiation micro-ondes, l'ablation laser pulsée, les fluides supercritiques, la réduction sonochimique et le rayonnement gamma.
La réduction de complexes métalliques dans des solutions diluées est la méthode générale de synthèse des dispersions colloïdales métalliques, et une variété de méthodes ont été développées pour initier et contrôler les réactions de réduction. Dans la plupart des cas, la formation de nanoparticules métalliques monodisperses est obtenue par une combinaison d'une faible concentration de soluté et d'une monocouche polymérique adhérant aux surfaces de croissance. Une faible concentration et une monocouche polymérique peuvent toutes deux entraver la diffusion des espèces de croissance de la solution environnante vers les surfaces de croissance et le processus de diffusion est susceptible d'être l'étape limitante de la vitesse de croissance subséquente des noyaux initiaux, résultant en la formation de nanoparticules de taille uniforme.
Précurseurs et réactifs
Dans la synthèse de nanoparticules métalliques, ou plus spécifiquement, de dispersions colloïdales métalliques, divers types de précurseurs, réactifs de réduction, autres produits chimiques et méthodes sont utilisés pour promouvoir ou contrôler les réactions de réduction, la nucléation initiale et la croissance subséquente des noyaux initiaux. Les précurseurs incluent : métaux élémentaires, sels inorganiques et complexes métalliques, tels que Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3, et PdCl2. Les réactifs de réduction incluent : citrate de sodium, peroxyde d'hydrogène, chlorhydrate d'hydroxylamine, acide citrique, monoxyde de carbone, phosphore, hydrogène, formaldéhyde, méthanol aqueux, carbonate de sodium et hydroxyde de sodium.
Autres méthodes de synthèse
Les nanoparticules métalliques peuvent également être préparées par une méthode de dépôt électrochimique utilisant une simple cellule électrochimique ne contenant qu'une anode métallique et une cathode de carbone vitreux ou métallique. L'électrolyte consiste en des solutions organiques de tétraalkylammonium halogénures, qui servent également de stabilisateurs pour les nanoparticules métalliques produites. Lors de l'application d'un champ électrique, l'anode subit une dissolution oxydante formant des ions métalliques, qui migreraient vers la cathode. La réduction des ions métalliques par les ions ammonium conduit à la nucléation et à la croissance subséquente de nanoparticules métalliques dans la solution. Avec cette méthode, des nanoparticules de Pd, Ni et Co avec des diamètres allant de 1,4 à 4,8 nm peuvent être produites.
Nanoparticules d'or
L'or colloïdal a été étudié de manière extensive pendant longtemps. En 1857, Faraday a publié une étude complète sur la préparation et les propriétés de l'or colloïdal. Une variété de méthodes ont été développées pour la synthèse de nanoparticules d'or, et parmi elles, la réduction par citrate de sodium de l'acide chloroaurique à 100°C a été développée il y a plus de 50 ans et reste la méthode la plus couramment utilisée.
Nanoparticules d'argent
Diverses méthodes ont été développées pour la formation de nanoparticules d'argent. La synthèse de nanoparticules Ag peut être réalisée par l'illumination UV de solutions aqueuses contenant AgClO4, acétone, 2-propanol et divers stabilisateurs polymères. L'illumination UV génère des radicaux kétyles via l'excitation de l'acétone et l'abstraction subséquente d'atomes d'hydrogène du 2-propanol et le radical kétyle peut subir une réaction de dissociation protolytique. Les radicaux kétyles et les anions radicaux réagissent avec et réduisent les ions argent en atomes d'argent.
Les réactions ont un faible taux de réaction et favorisent la production de nanoparticules d'argent monodisperses. En présence de polyéthylèneimine comme stabilisateur polymère, les nanoparticules d'argent formées en utilisant le processus de réduction photochimique ci-dessus ont une taille moyenne de 7 nm avec une distribution de taille étroite.
Bien que les stabilisateurs polymères jouent un rôle très important dans la synthèse des nanoparticules métalliques, elles peuvent être préparées sans utiliser de stabilisateur polymère. Les nanoparticules d'argent peuvent être préparées en utilisant un ensemble de solutions disponibles dans le commerce. Sans ajouter de réactif stabilisant, elles peuvent être synthétisées en utilisant une dispersion aqueuse de nanoparticules d'argent de 20-30 nm de taille. La dispersion est susceptible d'être stabilisée par un mécanisme de stabilisation électrostatique. Cependant, la taille des particules est sensible à la température de synthèse. Une petite variation de température entraînerait un changement significatif des diamètres des nanoparticules métalliques.