形状导向物质对金纳米颗粒生长形貌的影响

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各向异性的金纳米颗粒(Au NPs)因其独特的物理化学性质而被广泛应用于光学、催化、传感和生物医学等领域,其性能及应用与其尺寸、形貌、组成和结构等密切相关。同时,该材料的最终形貌受封端剂、还原剂、稳定剂/表面活性剂、反应时间和溶液温度等多因素的影响。在合成各向异性的Au NPs中,形状导向物质(有机封端剂和碘化物)对Au NPs的形貌和结构起关键作用。基于此,本论文利用透射电镜技术,对含不同的封端剂(表面活性剂(十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)以及聚合物聚乙烯基吡咯烷酮(PVP))和有无碘化钾(KI)的条件下合成的Au NPs的形态和结构进行表征,并结合UV-Vis谱和反应溶液颜色的时间变化,研究了封端剂和卤素对一步法合成的各向异性的Au NPs的形貌及结构的影响,同时深入研究了其他的实验参数(反应温度、反应时间和抗坏血酸(AA)浓度)对合成的各向异性Au NPs的形貌和尺寸的影响。本论文主要研究成果如下:首先,利用透射电镜技术和UV-Vis,对比了以不同的阳离子表面活性剂(CTAC、CTAB)为封端剂,在有无碘盐的情况下合成的Au NPs的形貌与结构。研究发现,以CTAC为封端剂,引入KI使得合成的Au NPs由热力学主导的截断八面体结构(TO)转变为动力学控制的三角形金纳米棱柱(Au nanoprisms)结构。随反应时间延长至1 h,Au nanoprisms尺寸有所减小,且当反应时间延长至12h,具有较高表面能的Au nanoprisms倾向于转变球形Au NPs,导致Au nanoprisms的产率下降。同时,改变抗坏血酸的浓度可调节Au nanoprisms的尺寸。对于以CTAB为封端剂的反应体系,加入KI后,Au纳米棒的产率和长径比均明显下降,同时伴随着其他形貌的金纳米颗粒的出现。与CTAC为封端剂的反应体系不同,由于CTAB自身性质问题,溶液反应的时间长,延长反应时间有利于合成各向异性的Au NPs,同时,高温可促进反应进行以及规则Au NPs的合成。其次,在以聚合物PVP为封端剂的反应体系中,无碘离子(I-)添加时,PVP起到双重作用。一方面PVP的特异性使其吸附在Au NPs{111}表面,作为稳定剂促使少量Au nanoprisms的合成;另一方面,由于羟基的存在,聚合物PVP作为还原剂促进了反应过程中的快速还原和结晶,因此在快速生长过程由于缺乏结构弛豫,形成了热力学上不太有利的纳米结构。然而,加入I-后,I-与氧结合形成的碘三离子(I3-)对低配位点的氧化刻蚀作用将原来热力学不稳定且具有凹凸不平的表面不规则的Au NPs转变为热力学主导的准球形的Au NPs。同时,研究表明,改变实验参数(增加反应时间)有利于合成大尺寸的Au NPs。本论文研究发现,形状导向物质对Au NPs生长途径与形状形成存在协同作用。表面活性剂/聚合物和碘化物添加剂的偶联作用,会促进或者抑制各向异性的金纳米结构的形成,同时展示了实验条件对可控合成各向异性的Au NPs的重要性。
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