金属ナノ粒子の合成:高度な材料特性を解明する

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金属ナノ粒子
金属ナノ粒子という用語は、サイズ範囲 1 ～ 100 nm 内の寸法 (長さ、幅、または厚さ) を持つナノサイズの金属を表すために使用されます。金属ナノ粒子は、個々の原子、表面、またはバルク材料の特性とはまったく異なる特性を示します。 MNP の主な特徴は、バルク相当物と比較して大きな表面積対体積比、大きな表面エネルギー、特定の電子構造を提供する分子状態と金属状態の間の遷移として存在 (局所状態密度 LDOS)、プラズモン励起、量子閉じ込め、短距離秩序、キンク数の増加、コーナーやエッジなどの低配位サイトを多数含み、多数の「ダングリング ボンド」を持ち、その結果、特異的および化学的特性と過剰な電子を貯蔵する能力が得られます。
それらの潜在的な用途には、例えば、生化学、触媒作用、化学および生物学的センサー、ナノエレクトロニクスおよびナノ構造磁性のシステムとしての使用が含まれます。
合成
化学的方法には、金属塩の化学的還元、アルコール還元プロセス、ポリオールプロセス、マイクロエマルション、金属塩の熱分解および電気化学合成が含まれます。物理的方法には、爆発ワイヤー技術、プラズマ、化学蒸着、マイクロ波照射、パルスレーザーアブレーション、超臨界流体、音波化学的還元、およびガンマ線が含まれます。
希薄溶液中での金属錯体の還元は、金属コロイド分散液を合成する一般的な方法であり、還元反応を開始および制御するためにさまざまな方法が開発されてきました。ほとんどの場合、単サイズの金属ナノ粒子の形成は、成長表面に付着する低濃度の溶質とポリマー単層の組み合わせによって達成されます。低濃度およびポリマー単層の両方が、周囲の溶液から成長表面への成長種の拡散を妨げる可能性があり、拡散プロセスは、その後の初期核の成長の律速段階となる可能性が高く、その結果、均一なサイズのナノ粒子が形成されます。
前駆体と試薬
金属ナノ粒子、より具体的には金属コロイド分散液の合成では、還元反応、初期核生成、およびその後の初期核の成長を促進または制御するために、さまざまな種類の前駆体、還元試薬、その他の化学物質および方法が使用されます。前駆体には、元素金属、無機塩、金属錯体 (Ni、Co、HAuCl4、H、PtCl、RhCl、PdCl2 など) が含まれます。還元試薬には、クエン酸ナトリウム、過酸化水素、塩酸ヒドロキシルアミン、クエン酸、一酸化炭素、リン、水素、ホルムアルデヒド、メタノール水溶液、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウムが含まれます。
その他の合成方法
金属ナノ粒子は、金属アノードと金属またはガラス状炭素カソードのみを含む単純な電気化学セルを使用する電気化学堆積法によっても調製することができる。電解質はテトラアルキルアンモニウムハロゲン化物の有機溶液で構成されており、生成された金属ナノ粒子の安定剤としても機能します。電界を印加すると、アノードは酸化溶解して金属イオンを形成し、金属イオンはカソードに向かって移動します。アンモニウムイオンによる金属イオンの還元は、核生成とその後の溶液中での金属ナノ粒子の成長をもたらします。この方法では、直径が1.4～4.8nmの範囲のPd、Ni、Coのナノ粒子を製造できます。
金ナノ粒子
金コロイドは長い間広範囲に研究されてきました。 1857 年、ファラデーは金コロイドの調製と特性に関する包括的な研究を発表しました。金ナノ粒子の合成にはさまざまな方法が開発されてきましたが、中でも塩化金酸を100℃でクエン酸ナトリウムで還元する方法は50年以上前に開発され、現在でも最も一般的に使用されている方法です。
銀ナノ粒子
銀ナノ粒子を形成するために、さまざまな方法が開発されてきました。 Ag ナノ粒子の合成は、AgClO4、アセトン、2-プロパノール、およびさまざまなポリマー安定剤を含む水溶液の UV 照射によって実現できます。 UV 照射により、アセトンの励起とその後の 2-プロパノールからの水素原子の引き抜きによってケチル ラジカルが生成され、ケチル ラジカルはさらにプロトン分解反応を受ける可能性があります。ケチルラジカルとラジカルアニオンは両方とも銀イオンと反応し、銀イオンを銀原子に還元します。
この反応は反応速度が遅く、単サイズの銀ナノ粒子の生成に有利です。ポリマー安定剤としてポリエチレンイミンが存在するため、上記の光化学還元プロセスを使用して形成された銀ナノ粒子は、平均サイズが 7 nm で、サイズ分布が狭いです。
ポリマー安定剤は金属ナノ粒子の合成において非常に重要な役割を果たしますが、ポリマー安定剤を使用しなくても金属ナノ粒子を調製できます。銀ナノ粒子は、市販の溶液セットを使用して調製できます。安定化試薬を添加せずに、サイズ20～30nmの銀ナノ粒子の水分散液を使用して合成できます。分散液は静電安定化メカニズムによって安定化される可能性があります。ただし、粒子サイズは合成温度に敏感に依存します。温度がわずかに変化すると、金属ナノ粒子の直径が大きく変化します。