Síntese de Nanopartículas Metálicas: Desbloqueando Propriedades Avançadas de Materiais

Nanopartículas metálicas

O termo nanopartícula metálica é usado para descrever metais em nanoescala com dimensões (comprimento, largura ou espessura) dentro da faixa de tamanho 1-100 nm. Nanopartículas metálicas exibem propriedades bastante diferentes das de átomos individuais, superfícies ou materiais a granel. As principais características das MNPs são grande razão superfície/volume em comparação aos equivalentes a granel, grandes energias de superfície, existência como transição entre estados moleculares e metálicos fornecendo estrutura eletrônica específica (densidade local de estados LDOS), têm excitação de plasmon, confinamento quântico, ordenamento de curto alcance, número aumentado de quinas, contêm grande número de sítios de baixa coordenação, como cantos e arestas, tendo grande número de "ligações pendentes" e consequentemente propriedades químicas e específicas e a capacidade de armazenar elétrons em excesso.

Suas aplicações potenciais incluem, por exemplo, uso em bioquímica, em catálise e como sensores químicos e biológicos, como sistemas para nanoeletrônica e magnetismo nanoestruturado.

Síntese

Métodos químicos incluem redução química de sais metálicos, processo de redução por álcool, processo poliol, microemulsões, decomposição térmica de sais metálicos e síntese eletroquímica. Métodos físicos incluem técnica de fio explosivo, plasma, deposição química de vapor, irradiação por micro-ondas, ablação a laser pulsado, fluidos supercríticos, redução sonquímica e radiação gama.

Redução de complexos metálicos em soluções diluídas é o método geral de síntese de dispersões coloidais metálicas, e uma variedade de métodos foi desenvolvida para iniciar e controlar as reações de redução. Na maioria dos casos, a formação de nanopartículas metálicas monodispersas é alcançada por uma combinação de baixa concentração de soluto e monocamada polimérica aderindo às superfícies de crescimento. Tanto uma baixa concentração quanto uma monocamada polimérica podem dificultar a difusão de espécies de crescimento da solução circundante para as superfícies de crescimento e o processo de difusão é provavelmente a etapa limitante da taxa de crescimento subsequente de núcleos iniciais, resultando na formação de nanopartículas de tamanho uniforme.

Precursores e reagentes

Na síntese de nanopartículas metálicas, ou mais especificamente, dispersão coloidal metálica, vários tipos de precursores, reagentes de redução, outros produtos químicos e métodos são usados para promover ou controlar as reações de redução, a nucleação inicial e o crescimento subsequente de núcleos iniciais. Os precursores incluem: metais elementares, sais inorgânicos e complexos metálicos, como Ni, Co, HAuCl4, H2PtCl6, RhCl3 e PdCl2. Reagentes de redução incluem: citrato de sódio, peróxido de hidrogênio, cloridrato de hidroxilamina, ácido cítrico, monóxido de carbono, fósforo, hidrogênio, formaldeído, metanol aquoso, carbonato de sódio e hidróxido de sódio.

Outros métodos de síntese

Nanopartículas metálicas também podem ser preparadas por um método de deposição eletroquímica empregando uma célula eletroquímica simples contendo apenas um ânodo metálico e um cátodo de carbono metálico ou vítreo. O eletrólito consiste em soluções orgânicas de halogenetos de tetraalquilamônio, que também servem como estabilizadores para as nanopartículas metálicas produzidas. Após a aplicação de um campo elétrico, o ânodo sofre dissolução oxidativa formando íons metálicos, que migrariam em direção ao cátodo. A redução de íons metálicos por íons amônio leva à nucleação e crescimento subsequente de nanopartículas metálicas na solução. Com este método, nanopartículas de Pd, Ni e Co com diâmetros variando de 1,4 a 4,8 nm podem ser produzidas.

Nanopartículas de ouro

Ouro coloidal tem sido estudado extensivamente por um longo tempo. Em 1857, Faraday publicou um estudo abrangente sobre a preparação e propriedades do ouro coloidal. Uma variedade de métodos foi desenvolvida para a síntese de nanopartículas de ouro, e entre eles, a redução de ácido cloraurico por citrato de sódio a 100°C foi desenvolvida há mais de 50 anos e continua sendo o método mais comumente usado.

Nanopartículas de prata

Vários métodos foram desenvolvidos para a formação de nanopartículas de prata. Síntese de nanopartículas de Ag pode ser alcançada pela iluminação UV de soluções aquosas contendo AgClO4, acetona, 2-propanol e vários estabilizadores poliméricos. A iluminação UV gera radicais cetil via excitação da acetona e subsequente abstração de átomo de hidrogênio do 2-propanol e o radical cetil pode sofrer reação de dissociação protolítica. Tanto o radical cetil quanto ânions radicais reagem com e reduzem íons de prata a átomos de prata.

As reações têm uma baixa taxa de reação e favorecem a produção de nanopartículas de prata monodispersas. Com a presença de polietilenimina como estabilizador polimérico, nanopartículas de prata formadas usando o processo de redução fotoquímica acima têm tamanho médio de 7 nm com distribuição de tamanho estreita.

Embora estabilizadores poliméricos desempenhem um papel muito importante na síntese de nanopartículas metálicas, elas podem ser preparadas sem usar qualquer estabilizador polimérico. Nanopartículas de prata podem ser preparadas usando um conjunto de soluções comercialmente disponíveis. Sem adicionar qualquer reagente estabilizador, pode ser sintetizado usando dispersão aquosa de nanopartículas de prata de 20-30 nm de tamanho. A dispersão provavelmente é estabilizada por mecanismo de estabilização eletrostática. No entanto, o tamanho da partícula é sensivelmente dependente da temperatura de síntese. Uma pequena variação de temperatura resultaria em uma mudança significativa nos diâmetros das nanopartículas metálicas.