Synthèse de nanoparticules métalliques :découvrir les propriétés avancées des matériaux

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Nanoparticules métalliques
Le terme nanoparticule métallique est utilisé pour décrire des métaux de taille nanométrique dont les dimensions (longueur, largeur ou épaisseur) sont comprises entre 1 et 100 nm. Les nanoparticules métalliques présentent des propriétés très différentes de celles des atomes individuels, des surfaces ou des matériaux massifs. Les principales caractéristiques des MNP sont un rapport surface/volume élevé par rapport à leurs équivalents de masse, de grandes énergies de surface, une existence en tant que transition entre des états moléculaires et métalliques fournissant une structure électronique spécifique (densité locale d'états LDOS), une excitation plasmonique, un confinement quantique, un ordre à courte portée, un nombre accru de coudes, un grand nombre de sites à faible coordination tels que des coins et des bords, un grand nombre de « liaisons pendantes » et par conséquent des propriétés spécifiques et chimiques et la capacité de stocker les électrons en excès.
Leurs applications potentielles incluent, par exemple, leur utilisation en biochimie, en catalyse et comme capteurs chimiques et biologiques, comme systèmes pour la nanoélectronique et le magnétisme nanostructuré.
Synthèse
Méthodes chimiques Inclure la réduction chimique des sels métalliques, le processus de réduction d'alcool, le processus de polyol, les microémulsions, la décomposition thermique des sels métalliques et la synthèse électrochimique. Les méthodes physiques comprennent la technique du fil explosif, le plasma, le dépôt chimique en phase vapeur, l'irradiation par micro-ondes, l'ablation laser pulsée, les fluides supercritiques, la réduction sonochimique et le rayonnement gamma.
La réduction des complexes métalliques dans des solutions diluées est la méthode générale de synthèse des dispersions colloïdales métalliques, et diverses méthodes ont été développées pour initier et contrôler les réactions de réduction. Dans la plupart des cas, la formation de nanoparticules métalliques monodimensionnelles est obtenue par une combinaison d'une faible concentration de soluté et d'une monocouche polymère adhérant aux surfaces de croissance. Une faible concentration et une monocouche polymère peuvent empêcher la diffusion des espèces en croissance de la solution environnante vers les surfaces de croissance et le processus de diffusion est probablement l'étape limitante de la croissance ultérieure des noyaux initiaux, entraînant la formation de nanoparticules de taille uniforme.
Précurseurs et réactifs
Dans la synthèse de nanoparticules métalliques, ou plus spécifiquement de dispersion colloïdale métallique, divers types de précurseurs, réactifs de réduction, autres produits chimiques et méthodes sont utilisés pour favoriser ou contrôler les réactions de réduction, la nucléation initiale et la croissance ultérieure des noyaux initiaux. Les précurseurs comprennent :les métaux élémentaires, les sels inorganiques et les complexes métalliques, tels que Ni, Co, HAuC14, H, PtCl, RhC1 et PdCI2. Les réactifs de réduction comprennent :le citrate de sodium, le peroxyde d'hydrogène, le chlorhydrate d'hydroxylamine, l'acide citrique, le monoxyde de carbone, le phosphore, l'hydrogène, le formaldéhyde, le méthanol aqueux, le carbonate de sodium et l'hydroxyde de sodium.
Autres méthodes de synthèse
Les nanoparticules métalliques peuvent également être préparées par un procédé de dépôt électrochimique employant une simple cellule électrochimique contenant uniquement une anode métallique et une cathode en métal ou en carbone vitreux. L'électrolyte est constitué de solutions organiques d'halogénures de tétraalkylammonium, qui servent également de stabilisants pour les nanoparticules métalliques produites. Lors de l’application d’un champ électrique, l’anode subit une dissolution oxydative formant des ions métalliques qui migreraient vers la cathode. La réduction des ions métalliques par les ions ammonium conduit à la nucléation puis à la croissance de nanoparticules métalliques dans la solution. Avec cette méthode, des nanoparticules de Pd, Ni et Co d'un diamètre allant de 1,4 à 4,8 nm peuvent être produites.
Nanoparticules d'or
L’or colloïdal est largement étudié depuis longtemps. En 1857, Faraday publia une étude approfondie sur la préparation et les propriétés de l'or colloïdal. Diverses méthodes ont été développées pour la synthèse de nanoparticules d'or, parmi lesquelles la réduction au citrate de sodium de l'acide chloraurique 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 d'Ag peut être réalisée par l'éclairage UV de solutions aqueuses contenant de l'AgC104, de l'acétone, du 2-propanol et divers stabilisants polymères. L'éclairage UV génère des radicaux cétyle via l'excitation de l'acétone et l'abstraction ultérieure des atomes d'hydrogène du 2-propanol et le radical cétyle peut en outre subir une réaction de dissociation protolytique. Le radical cétyle et les anions radicaux réagissent avec et réduisent les ions d'argent en atomes d'argent.
Les réactions ont une faible vitesse de réaction et favorisent la production de nanoparticules d'argent monodimensionnées. Avec la présence de polyéthylèneimine comme stabilisant polymère, les nanoparticules d'argent formées à l'aide du processus de réduction photochimique ci-dessus ont une taille moyenne de 7 nm avec une distribution de taille étroite.
Bien que les stabilisants polymères jouent un rôle très important dans la synthèse des nanoparticules métalliques, ils peuvent être préparés sans utiliser de stabilisant polymère. Les nanoparticules d'argent peuvent être préparées à l'aide d'un ensemble de solutions disponibles dans le commerce. Sans ajouter de réactif stabilisant, il peut être synthétisé à l’aide d’une dispersion aqueuse de nanoparticules d’argent de 20 à 30 nm. La dispersion est susceptible d'être stabilisée par un mécanisme de stabilisation électrostatique. Cependant, la taille des particules dépend sensiblement de la température de synthèse. Une petite variation de température entraînerait un changement significatif des diamètres des nanoparticules métalliques.