光照法制备银纳米棒

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1、化学材料：硝酸银（99.998%），柠檬酸钠（99.9%），和氢氧化钠（99.99%）购自奥德里奇， 作为待反应溶液。双-（对-磺基苯基）苯基膦二钾（BSPP）从施特雷姆化学品公司购买。所 有的水用巴恩斯特德超纯水纯化系统纯化（电阻= 18.1 m ）。仪表：紫外可见光谱被记录在一个cary-5000紫外/可见光谱仪中。透射电子显微镜（TEM） 成像使用日立h2300和h8100透射电子显微镜（200 kV）。扫描电子显微镜（SEM）使用日 立s4800-ii扫描电子显微镜。所有的照射实验，用卤素灯（Dolan-Jenner，mi-150）作为光 源。用中心在50020, 55020, 600

2、20, 65020, 70020, 75020 nm 的光学带通滤 波器（ 25 毫米直径，橡胶有限公司）来控制辐射波长。电感耦合等离子体发射光谱法 （ICP-OES）实验在 Varian Vista MPS ICP-OES光谱仪上进行。银纳米粒子种子的制备：一个典型的合成方法是,超纯水（19 毫升）,硝酸银（0.4 毫升,10 毫摩尔每升）, BSPP（0.4 毫升, 10 毫摩尔每升）,柠檬酸钠（0.2 毫升, 0.1 摩尔每升）, 氢氧化钠（1 毫升, 0.1 摩尔每升）混合在一个50 毫升的石英圆底烧瓶中。然后用手持紫外 线灯（254 nm）照射30分钟。当溶液的颜色变成了明亮的黄色，

3、表明银胶体形成。银纳米 粒子通过60 分钟 15000 转/分的离心进行纯化。银纳米粒子分散在20 毫升的水中。银纳米棒的制备：将超纯水（19毫升）,硝酸银（0.60 毫升, 10 毫摩尔每升）,柠檬酸钠（0.30 毫升, 0.10 摩尔每升）, 0.50 毫升银纳米粒子（种子）混合在一个24 毫升玻璃瓶。反应溶液 的最终体积为 20 毫升。然后是以连接光学带通滤波器的钨卤素灯照射该溶液。整个反应中 灯和过滤器之间保持1厘米的距离。灯的强度为0.2 W,用光功率计（新港1916-c）加上一 个有效直径为12毫米的热电堆探测器（818p-010-12）测量。随着反应的进行，溶液的颜色 因种子颗粒

4、由清澈的淡黄色变为浑浊的淡黄色,这可以用在重水中的紫外/可见/近红外光谱 显示的可见光的非吸收解释。利用球形等离子种子的低能量激发合成银纳米棒摘要：在银离子和柠檬酸钠存在时,银种子颗粒在 600-750 纳米光照下的等离子体激发被用 来合成五孪晶纳米棒。重要的是,激发波长可以用来控制反应速率和纳米棒的长径比。当激 发波长从球形种子颗粒的表面等离子体共振红移,银离子的还原速率会变慢,反应动力更易 控制。这样的条件有利于银在生长中的纳米棒尖端的沉积,与其两侧相比,这会导致高长径 比的产生。然而，控制实验表明，只有一个范围内的低能量激发波长（在600和750 nm之 间）可以得到单分散性的纳米棒。本

5、研究进一步凸显了用波长控制以等离子体激元介导法生 长的纳米粒子的大小和形状的效果。关键词：银，纳米棒，等离子，合成，低能量激发 光可以做影响纳米粒子生长的有价值的工具，并可实现各向异性的纳米结构。事实上， 在早期的工作中，我们发现球形银纳米粒子可以通过可见光和球形种子颗粒的等离子激发转 变为纳米三棱柱。这种光刺激过程较随后发展火热的其他方法的优点是，辐射波长可用于精 确的控制产品的尺寸，而较长的波长可以产生较大的纳米棱柱。经过对银的初步研究，其他 人已经表明，对某些纳米结构的光刺激可以直接作用于更大和更奇特的结构的生长和组装。 例如，许多团体已经表明，对半导体纳米棒的紫外和可见光波长的照射可以

6、控制金属离子在 纳米棒两端的沉积，与之相对的是观察到的热控制还原过程中的随机沉积。科托夫和其同事 已经表明，对半导体纳米粒子的光刺激可以用来使其组装成扭曲的带状结构，这在没有照射 时不会发生。自从银纳米三棱柱的光照合成法的初步报告发表后，人们对了解光和选择性等离子体激 发如何控制正在生长的贵金属纳米结构的形状和大小更感兴趣了。尽管有许多对于三棱柱生 长的研究，但是只有数量有限的其他形状可以通过光刺激法高效合成。这些包括右三角双锥 体，四面体和正十面体。关于反应机理的研究已经确定，银纳米粒子种子的等离子体激发是 柠檬酸钠将银离子还原为银时的光催化剂。事实上，如果种子粒子的表面等离子体共振（SPR

7、）不活跃由于没有光刺激或激发波长（入ex）与种子的SPR不匹配这种事就 不会发生。这种现象在纳米三棱柱的合成中被赋予了控制尺寸效应的部分责任：当棱柱成长， SPRS 从激发波长红移时，棱镜吸收的光减少，增长放缓。然而，并不是所有的等离子体介 导的合成会表现出这样的波长依赖性行为，考虑到等离子体介导法比热方法相对较少的可访 问的形貌，需要对激发波长如何影响正在生长的粒子的尺寸和形状的物理和化学原理有更好 的理解。在这里，我们报告了如何在适当条件下，用600-750 纳米的光选择性合成银纳米棒。等 离子体介导反应并不能大量生产纳米棒。我们也证明了入ex可以用来有效的控制纳米棒的 长径比。重要的是，

8、我们展示了来自球形种子颗粒的SPR更大的，会更缓慢的控制反应的 发生并提供更多动力。这种情况导致银离子首先还原在纳米棒的两端而不是两侧，这会产生 更高长径比的纳米棒。控制实验揭示了当激发波长大于 750纳米时，会由于银种子颗粒在这 一区域的消光系数非常小而导致反应不完全，而当激发波长小于 600纳米时，其他纳米颗粒 形状如双锥的生长会导致产量降低。这些结果同时突出了在等离子体介导反应中用入ex控 制产物形貌的实用性和局限性。事实上，只有小范围内的低能量激发波长（600到 750纳米） 能产生单分散的纳米棒。我们的光诱导合成是基于种子介导的方法。首先，平均直径为 7.90.9 纳米的单分散球 形

9、纳米种子是通过用254纳米的光照射包含硝酸银，双（对-苯基）磷二钾盐（BSPP）,柠 檬酸钠和氢氧化钠的水溶液制备的。请注意，此合成方法会产生五角双结构的球形颗粒，这 与以前纳米颗粒合成中使用的有平面双缺陷的种子颗粒截然不同。为了合成银纳米棒，五孪 晶的种子颗粒（0.5 毫升）被加入到含有硝酸银（0.2 毫摩尔）和柠檬酸钠（1毫摩尔）的水 溶液中，然后用 150瓦的卤素灯照射 24 小时，用带通滤波器选择性的在600到 750纳米之 间调节入ex。这种光介导反应（入ex= 600纳米）会产生具有均匀直径（675纳米）和长度（33085 纳米）的纳米棒。这些纳米棒有五边形截面，并且是沿长轴的多重

10、孪晶，就如贯穿面心立方 体的112和100或 111和110晶带的电子衍射图案显示的一样，这正是五边形多重孪晶结 构的特征。银纳米棒的五重孪晶结构可部分归因于种子颗粒的结构，它也有五边形的多重孪 晶结构，就像高分辨率透射电子显微镜显示的那样。种子形态的重要性已通过几个不使用银 种子或使用不同尺寸和结构的银种子的控制实验证实。在所有的情况下，不同形状包括球形， 棒状，三棱柱和片状的银纳米粒子都会产生。值得注意的是，纳米棒的长度和直径可以通过入ex控制。65020, 70020和75020 纳米的光会分别产生长度为460130， 870250 和 1010230 纳米，直径为666，615 和 5

11、15 纳米的银纳米棒。因此，银纳米棒的长径比随着入ex从600到750纳米的增加而增加。这 表明在这种光介导合成法中，入ex确实可以作为控制产生纳米粒子尺寸的参数，类似于纳 米棱柱和纳米双锥的合成。为了研究生长过程对波长的依赖性，我们通过用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES） 监测银离子在整个反应过程中的浓度变化对反应动力进行了研究。银离子的损耗率随着入ex 的变长而减小，这表明随着反应速率的变慢纳米棒的长径比变大了。（要注意激发光强的强 度在四个波长上是固定的）这可能是由于反应随着入ex从种子的SPR红移而更容易受动力 学控制。球形种子颗粒在 395 纳米处消光最大，胶体的消光覆盖了整

12、个可见光范围，而在波 长较长时吸光度减少。由于种子在这样的低能量波长下只能吸收少量的入射光，银离子的等 离子体介导还原反应发生的十分缓慢。这样的动力学控制反应条件有利于在纳米结构能量最 高的位置的沉积，对于纳米棒来说就是两端，这是由于高曲率和双缺陷的存在。当入ex更 大时，种子吸收的光减少，反应速度变慢，这导致了纳米棒两端的反应首先变慢，最终得到 高长径比的纳米棒。类似的行为在银右三角纳米双锥和纳米棱柱的等离子体介导合成中也有 观察到，其中低PH值会使得反应速率变慢，最终导致在双缺陷上优先沉积并产生平面纳米 三棱柱。这个结论也符合银纳米棒的热合成法，其中长径比是通过改变影响反应速率的化学 参数

13、来控制的。通常情况下，更低的种子浓度，温度或PH值会引起反应速率变慢，并产生 更高长径比的纳米棒/纳米线。我们注意到， Kitaev 和其同事先前已经报道过用准备好的十 面体银种子在含有柠檬酸和聚乙烯吡咯烷酮的95摄氏度的水溶液中再生制备五孪晶银纳米 棒的热反应法。他们能够通过分别控制十面体种子和加入到反应中的Ag离子量的大小来控 制得到的纳米棒的直径和长度。在本文提出的等离子体介导法中，最终得到的纳米棒的直径 和长度都受到入ex的影响。因此，这种等离子体介导法为Kitaev和他的同事们提出的热制 备法提供了很好的补充。然而，通过入ex专门控制产品形状的能力是有限的。在使用500和550纳米的

14、入ex的 控制实验中，只有少量的纳米棒形成，它们与其他形态如三角形板和截顶双锥体混合在一起。 在结构上，五孪晶纳米棒由五孪晶种子生长成，而三角板和截顶双锥是由平面孪晶生长成的。 在较短的波长下到的不同的生长途径可以暂时归因于本实验条件下不同形态的种子的生长 动力学不同。当低能量激发时，银优先沉积在五孪晶种子上，而当入ex较短时银优先沉积 在其他结构的种子上（比如平面孪晶种子）。通常情况下，形状控制是通过改变反应条件如 PH,试剂浓度或能有效控制反应动力的添加剂等化学方法实现的，从而控制产品形态。在 等离子体介导合成中，激发波长结合适当的反应条件，已被用来控制三棱柱和右三角双锥环 境下纳米粒子的

15、大小和形状。最近，研究人员建议，入ex可作为控制纳米粒子形状的单一 变量。例如，相同条件下的银纳米粒子，在455或465纳米的入ex照射时会产生正十面体， 而505或519纳米的入ex照射是却产生纳米三棱柱。综上所述，这些资料表明波长可以在 等离子体介导合成纳米粒子时充当强大的形状调制器。总之，我们已经证明了光催化法可以用来有效地以可控的方式制备银纳米棒。在低能量 激发下，五孪晶的种子颗粒可以依赖于入ex成长为具有不同的长径比纳米的纳米棒。反应 动力学研究表明，入ex会影响Ag离子的还原速率，并因此控制纳米棒的长径比。能量更低 的入ex使得反应的动力学控制变多变慢，导致了更高长径比的纳米棒的产生，这是由于纳 米棒的两端比侧面先被还原。先前关于球形种子转变为三棱柱的机理研究已经推断出等离子 体激发促进了柠檬酸盐对银离子的还原，尽管这个过程的物理性质不好理解。本研究进一步 强调，在适当的条件下，入ex可以用来精确的控制等离子体介导还原反应的反应动力，这 提供了一种简单的控制所得银纳米结构的结构参数的方法。