Synteza nanocząstek złota oraz platyny w mikrosystemach

Abstract

The process of gold ($AuNPs$) and platinum ($PtNPs$) nanoparticles synthesis consists of a few stages: reduction, nucleation, growth and stabilization. In this study the kinetic equations and the mechanism of chloride complex $Au(III)$ and $Pt(IV)$ ions with L-ascorbic acid ($H2Asc$) and sodium borohydride ($NaBH4$) were determined. Based on these results the kinetics parameters i.e. $E_{A}$, $\Delta H^{#}$ and $AS^{#}$ were calculated. Using Watzky- Finke model the values of observed rate constants of nucleation and growth process without and with addition such stabilizers as polyvinyl alcohol (PVA) and polivinylpirrolidone (PVP) were determined. The obtained results were used for an adequate choice of the microreactor ($\mu R$) parameters (dimensions of channels, flow rates, temperatures). In case of $AuNPs$, there was observed that decreasing of size (a narrow distribution) is followed by an increasing the flow rate. The shape depends on a kind of used stabilizer. The spherical particles ($D=1.5 \pm 0.6 \div 181 \pm 31nm$) were obtained when PVA was added, whereas stars-shaped particles were obtained when the Au ions were reduced by $H_{2}Asc$ and stabilized with PVP. The application of |iR for synthesis of $PtNPs$ obtained as a result of reaction reduction of $Pt(IV)$ ions $NaBH_{4}$ was due to present of a gaseous hydrogen, which emission was limited in the flow. Whereas in case the reduction of $Pt$ ions with $H_{2}Asc$, the using of $\mu R$ made possible the conducting synthesis process under extreme conditions for aqueous solution ($105^{\circ}C$ and back pressure 2 bars). As results the spherical particles of $Pt$, stable and with size in the range of $2 \div 5nm$ were obtained. Proces syntezy nanocząstek złota ($NAu$) oraz platyny ($NPt$) składa się z kilku etapów: redukcji, zarodkowania, wzrostu oraz stabilizacji. W pracy wyznaczono równania kinetyczne a także opisano mechanizm reakcji redukcji chlorkowych jonów $Au(III)$ oraz $Pt(IV)$ za pomocą kwasu L-askorbinowego ($H2Asc$) oraz borowodorku sodu ($NaBH4$) jako reduktorów. Na ich podstawie wyznaczono odpowiednie parametry kinetyczne tj. $E_{A}$, $\Delta H^{#}$ i $AS^{#}$. Korzystając z modelu Watzky-Finke wyznaczono wartości stałych szybkości procesu zarodkowania oraz wzrostu cząstek bez oraz z dodatkiem takich stabilizatorów jak alkohol poliwinylowy (PVA) i pirolidon poliwinylowy (PVP). Wyniki te posłużyły do właściwego doboru parametrów prowadzenia syntezy nanocząstek w mikroreaktorze ($\mu R$) (wymiary kanałów, szybkość przepływu, temperatura). W przypadku $NAu$, zaobserwowano, że wraz ze wzrostem szybkości przepływu uzyskano mniejsze cząstki o węższej dystrybucji rozmiaru, których kształt zależał od zastosowanego stabilizatora. Sferyczne cząstki ($D=1.5 \pm 0.6 \div 181 \pm 31nm$) uzyskano gdy dodano PVA, natomiast gwiazdy gdy jony $Au(III)$ redukowano $H_{2}Asc$ i stabilizowano PVP. Zastosowanie $\mu R$ do syntezy NPt otrzymanych w wyniku redukcji jonów $Pt(IV)$ za pomocą $NaBH_{4}$ był podyktowany obecnością gazowego wodoru, którego wydzielanie ograniczono w przepływie. Natomiast w przypadku redukcji za pomocą $HAsc$, użycie $\mu R$ umożliwiło prowadzenie procesu w ekstremalnych dla wodnego roztworu warunkach ($105^{\circ}C$ oraz ciśnienie wsteczne 2 bary). W wyniku prowadzonych syntez uzyskano sferyczne NPt, stabilne w czasie o rozmiarach w zakresie $2 \div 5nm$.