Síntesis de nanopartículas metálicas:desbloqueando propiedades avanzadas de materiales

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Nanopartículas metálicas
El término nanopartícula metálica se utiliza para describir metales de tamaño nanométrico con dimensiones (largo, ancho o espesor) dentro del rango de tamaño de 1 a 100 nm. Las nanopartículas metálicas muestran propiedades que son bastante diferentes de las de los átomos individuales, las superficies o los materiales a granel. Las principales características de las MNP son una gran relación superficie-volumen en comparación con sus equivalentes en masa, grandes energías superficiales, existencia como una transición entre estados moleculares y metálicos que proporcionan una estructura electrónica específica (densidad local de estados LDOS), tienen excitación de plasmones, confinamiento cuántico, ordenamiento de corto alcance, mayor número de torceduras, contienen una gran cantidad de sitios de baja coordinación como esquinas y bordes, tienen una gran cantidad de "enlaces colgantes" y, en consecuencia, propiedades y capacidad químicas específicas. para almacenar el exceso de electrones.
Entre sus posibles aplicaciones se incluyen, por ejemplo, su uso en bioquímica, en catálisis y como sensores químicos y biológicos, como sistemas para nanoelectrónica y magnetismo nanoestructurado.
Síntesis
Métodos químicos Incluyen reducción química de sales metálicas, proceso de reducción de alcohol, proceso de polioles, microemulsiones, descomposición térmica de sales metálicas y síntesis electroquímica. Los métodos físicos incluyen la técnica de explosión de alambre, plasma, deposición química de vapor, irradiación con microondas, ablación con láser pulsado, fluidos supercríticos, reducción sonoquímica y radiación gamma.
La reducción de complejos metálicos en soluciones diluidas es el método general de síntesis de dispersiones coloidales metálicas y se han desarrollado una variedad de métodos para iniciar y controlar las reacciones de reducción. En la mayoría de los casos, la formación de nanopartículas metálicas monotamaño se logra mediante una combinación de una baja concentración de soluto y una monocapa polimérica que se adhiere a las superficies de crecimiento. Tanto una concentración baja como una monocapa polimérica pueden dificultar la difusión de especies de crecimiento desde la solución circundante a las superficies de crecimiento y es probable que el proceso de difusión sea el paso limitante de la velocidad del crecimiento posterior de los núcleos iniciales, lo que resulta en la formación de nanopartículas de tamaño uniforme.
Precursores y reactivos
En la síntesis de nanopartículas metálicas, o más específicamente, dispersión coloidal metálica, se utilizan varios tipos de precursores, reactivos de reducción, otros productos químicos y métodos para promover o controlar las reacciones de reducción, la nucleación inicial y el crecimiento posterior de los núcleos iniciales. Los precursores incluyen:metales elementales, sales inorgánicas y complejos metálicos, como Ni, Co, HAuC14, H, PtCl, RhC1 y PdCI2. Los reactivos de reducción incluyen:citrato de sodio, peróxido de hidrógeno, clorhidrato de hidroxilamina, ácido cítrico, monóxido de carbono, fósforo, hidrógeno, formaldehído, metanol acuoso, carbonato de sodio e hidróxido de sodio.
Otros métodos de síntesis
Las nanopartículas metálicas también se pueden preparar mediante un método de deposición electroquímica que emplea una celda electroquímica simple que contiene solo un ánodo metálico y un cátodo metálico o de carbono vítreo. El electrolito se compone de soluciones orgánicas de halogenuros de tetraalquilamonio, que también sirven como estabilizadores para las nanopartículas metálicas producidas. Tras la aplicación de un campo eléctrico, el ánodo sufre una disolución oxidativa formando iones metálicos, que migrarían hacia el cátodo. La reducción de iones metálicos por iones de amonio conduce a la nucleación y posterior crecimiento de nanopartículas metálicas en la solución. Con este método se pueden producir nanopartículas de Pd, Ni y Co con diámetros que oscilan entre 1,4 y 4,8 nm.
Nanopartículas de oro
El oro coloidal ha sido estudiado extensamente durante mucho tiempo. En 1857 Faraday publicó un estudio exhaustivo sobre la preparación y propiedades del oro coloidal. Se han desarrollado diversos métodos para la síntesis de nanopartículas de oro y, entre ellos, la reducción del ácido cloraúrico con citrato de sodio a 100 °C se desarrolló hace más de 50 años y sigue siendo el método más utilizado.
Nanopartículas de plata
Se han desarrollado varios métodos para la formación de nanopartículas de plata. La síntesis de nanopartículas de Ag se puede lograr mediante la iluminación UV de soluciones acuosas que contienen AgC104, acetona, 2-propanol y varios estabilizadores de polímeros. La iluminación UV genera radicales cetilo mediante la excitación de la acetona y la posterior abstracción del átomo de hidrógeno del 2-propanol y el radical cetilo puede sufrir una reacción de disociación protolítica. Tanto el radical cetilo como los aniones radicales reaccionan con los iones de plata y los reducen a átomos de plata.
Las reacciones tienen una velocidad de reacción baja y favorecen la producción de nanopartículas de plata monotamaño. Con la presencia de polietilenimina como estabilizador del polímero, las nanopartículas de plata formadas mediante el proceso de reducción fotoquímica anterior tienen un tamaño medio de 7 nm con una distribución de tamaño estrecha.
Aunque los estabilizadores poliméricos desempeñan un papel muy importante en la síntesis de nanopartículas metálicas, se pueden preparar sin utilizar ningún estabilizador polimérico. Las nanopartículas de plata se pueden preparar utilizando un conjunto de soluciones disponibles comercialmente. Sin añadir ningún reactivo estabilizador, se puede sintetizar utilizando una dispersión acuosa de nanopartículas de plata de 20-30 nm de tamaño. Es probable que la dispersión se estabilice mediante un mecanismo de estabilización electrostática. Sin embargo, el tamaño de las partículas depende sensiblemente de la temperatura de síntesis. Una pequeña variación de temperatura daría como resultado un cambio significativo en los diámetros de las nanopartículas metálicas.