Получение наностержней серебра методом контролируемого роста на ядрах кристаллизации Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 546.57/9:539.21

И. Б. Бегунов, М. Ю. Королева*, Е. В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, Миусская площадь, д. 9 * e-mail: [email protected]

ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТЕРЖНЕЙ СЕРЕБРА МЕТОДОМ КОНТРОЛИРУЕМОГО РОСТА НА ЯДРАХ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ

В данной работе было экспериментально исследованы способы получения наностержней серебра с помощью контролируемого роста ядер кристаллизации. При использовании традиционного синтеза, заключающегося в многостадийном добавлении прекурсоров, удалось получить наностержни длиной до 200 нм. В случае применения одностадийного синтеза при экспериментально установленных условиях были получены наностержни длиной до 400 нм.

Ключевые слова: наностержни серебра, наночастицы серебра, цетилтриметиламмонийбромид

Наночастицы серебра применяются в различных областях: спектрально-селективные покрытия для поглощения солнечной энергии, катализаторы химических реакций,

антимикробные покрытия и пр. Наностержни серебра за счёт своей большой удельной поверхности и инертности могут служить проводниками электрического тока, благодаря чему можно усилить или придать различным материалом электропроводные свойства.

Одним из интенсивно развивающихся направлений в настоящее время является создание облегченных проводящих материалов. Такие материалы могут быть получены, например, на основе высокопористого полистирола. Высокопористый полистирол получают при полимеризации высококонцентрированных

обратных эмульсий [1] Средний диаметр пор составляет ~ 3 мкм, размеры каналов Плато -Гиббса - от 40 до 300 нм. Для придания проводящих свойств такому материалу следует в дисперсионную среду эмульсии добавить наностержни серебра и провести полимеризацию стирола. Длина наностержней не должна превышать 500 нм.

Описанные в литературе способы позволяют получать достаточно длинные наностержни. Так, полиольным методом получают наностержни серебра длиной до 5 мкм [2]. При изменении параметров синтеза выход наностержней уменьшается, достаточно часто происходит образование нерегулярных структур.

Для получения наностержней меньшей длины обычно используется многостадийный синтез [3]. Предварительно синтезируют зародыши кристаллизации, а затем порционно добавляют в раствор прекурсоры. При таком способе синтеза можно получать наностержни серебра длиной от

100 нм до 1 мкм. Однако такой способ синтеза является достаточно трудоемким и длительным.

В данной работе было проведено сравнение многостадийного способа синтеза и одностадийного при оптимальных

технологических параметрах.

Для проведения синтеза использовались реактивы: цетилтриметиламмоний бромид (Sigma-Aldrich, 98%), NaOH (Merck, ЧДА), AgNO3 (Химмед), цитрат натрия 5-замещённый 2-водный (Химмед), аскорбиновая кислота (Fluka). NaBH4 (Sigma).

При синтезе наностержней использовалось два метода, основанных на гетерогенной нуклеации на зародышах: многостадийный синтез и одностадийный.

Многостадийный синтез состоит из нескольких стадий: гетерогенная нуклеация на зародышах кристаллизации и последующая поэтапная кристаллизация на уже синтезированных наностержнях.

При использовании одностадийного синтеза происходит только гетерогенная кристаллизация на зародышах.

Синтез зародышей. Восстановление AgNO3 происходило под воздействием сильного восстановителя NaBH4. В качестве стабилизатора, препятствующего агрегации наночастиц использовали цитрат натрия.

В водный раствор 0.01 М AgNO3 и 0.01 М цитрата натрия, охлажденный до 0°С, добавлялся раствор 0.01 M NaBH4 и 0.1 М NaOH. Полученный раствор интенсивно перемешивался в течение 3 мин. При этом цвет раствора становился зеленовато-жёлтым. Далее дисперсия наночастиц «созревала» в течение 2 ч. при комнатной температуре. Размер зародышей был не более 10 нм.

Рис. 1. Схема синтеза наностержей серебра

Многостадийный синтез наностержней. В

данном методе синтеза использовался слабый восстановитель серебра - аскорбиновая кислота. Для стабилизации наночастиц -

цетилтриметиаммонийбромид (CTAB).

Рост наностержней обусловлен стерическим действием СТАВ [4]. Расстояние между атомами Ag на боковых гранях стержней больше, чем на плотноупакованной {111} грани серебра на конце стержней. Поверхностная энергия боковых граней наностержней выше, поэтому на них в большей степени адсорбируются полярные группы СТАВ. Это приводит к экранированию боковых граней стержней и их удлинению.

В водный раствор, содержащий 0.1 M CTAB, 0.01 M AgNO3, 0.1 M аскорбиновой кислоты, при перемешивании добавляли 0.125 мл зародышей. Для создания щелочной среды (рН 10) добавляли 0.2 М водный раствор NaOH.

Затем раствор выдерживали при 20°С в течение 10 мин. Такая последовательность повторялась три раза. При этом цвет раствора изменялся - сначала он становился изумрудным, затем - сине-зелёным, далее - тёмно-синим с оттенком серого. На каждой стадии длина наностержней увеличивалась на 30-40 нм. Таким способом удалось получить наностержни длиной до 200 нм.

Одностадийный способ синтеза

наностержней. Так же, как и в многостадийном способе синтеза, зародыши добавлялись в раствор, содержащий 0.1 М CTAB, 0.1 М аскорбиновой кислоты, 0.05 М AgNOз и 1 М NaOH. Синтез проводился при 30°С и pH 10.5-10.6. Цвет полученного раствора был серо-зелёным. Таким способом были получены наностержни длиной до 400 нм и диаметром около 30 нм.

s =

а

с -

с

с

1,8 -| 1,6 -1,4 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 0,4 0,2 0,0

280

380

480 580 ^680 Длина волны, нм

780

880

980

Рис. 3. Спектр поглощения в УФ и видимой области водной дисперсии зародышей (1) и наностержней количество стадий синтеза 1 (2), 2 (3) и 3 (4), соответственно.

Рис. 3. Распределение наностержней по размерам, полученных многостадийным синтезом. Количество

стадий синтеза - 1, 2 и 3 соответственно

Таким образом, одностадийный способ является более удобным для получения серебряных наностержней длиной до 400 нм и диаметром около 30 нм, т.к. он менее продолжителен и выход наностержней выше.

Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части госзадания "Организация проведения научных исследований.

Бегунов Игорь Борисович студент кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Королева Марина Юрьевна д.х.н, профессор кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Юртов Евгений Васильевич член-корр. РАН, заведующий кафедрой наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Литература

1. Чекрыгина М.Ю., Королёва М.Ю. // Успехи в химии и химической технологии - 2013. Т. 27 - С. 128130

2. Yang Zh., Qian H., Chen H., Anker J. N. // J. Colloid and Interface Sci. - 2010. Vol.352. - P. 285-291

3. Zhang W., Qiaob X., Chen Q., Cai Y., Chen H. // Appl. Surface Sci. - 2012. Vol. 258. - Р. 5909-5913

4. Murphy C.J., Sau T.K., Gole A.M., Orendorff C.J., Gao J., Gou L., Hunyadi S.E., Li T. Anisotropic Metal Nanoparticles: Synthesis, Assembly, and Optical Applications // J. Phys. Chem. B - 2005, Vol. 109, P. 13857-13870

Igor B. Begunov, Marina Yu. Koroleva*, Evgeny V. Yurtov

Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]

SILVER NANOROD SYNTHESIS BY ARRESTED PRECIPITATION ON NUCLEUS Abstract

Silver nanorods were synthesized by arrested precipitation method. Multi-step addition of precursors resulted in synthesis of nanorods with length up to 200 nm. In the case of one-step synthesis at the optimum conditions nanorods up to 400 nm were obtained.

Key words: silver nanorods; silver nanoparticles; cetyltrimethylammonium bromide.