Facile Processes for the Synthesis of Patchy Particles

Einfache Verfahren zur Synthese von Patchy Partikeln

  • In this dissertation, key steps in the development of facile aqueous phase processes for the synthesis of metal patchy particles are presented. Starting with a two-step route to produce silver patches on silica nanospheres, the work demonstrate how the approach could be both simplified and generalized to enable the growth of noble metal patches on various cores (silica, polystyrene and titania). To achieve this, the unprecedented combination of heterogeneous nucleation and surface conformal growth of metals on the curved surfaces of non-metallic particles had to be understood. A key outcome of our study is evidence the electrostatics interaction is between the surface of core particles andIn this dissertation, key steps in the development of facile aqueous phase processes for the synthesis of metal patchy particles are presented. Starting with a two-step route to produce silver patches on silica nanospheres, the work demonstrate how the approach could be both simplified and generalized to enable the growth of noble metal patches on various cores (silica, polystyrene and titania). To achieve this, the unprecedented combination of heterogeneous nucleation and surface conformal growth of metals on the curved surfaces of non-metallic particles had to be understood. A key outcome of our study is evidence the electrostatics interaction is between the surface of core particles and metal precursors is of importance for heterogeneous nucleation, while both this aspect and reaction kinetics dominate the surface growth. This means that reactions can be designed to optimize both patch yield and morphology. Specifically, it was found that the morphology of silver patches on silica spheres could be varied from cup-like to dendritic by changing the reaction temperature and manipulating the addition rate of ammonium hydroxide. Moreover, the patch yield was also affected by many factors such as temperature, concentration and the thermal pretreatment of silica particles. The obtained patchy particles demonstrated morphology-dependent optical properties with plasmon resonances being tunable from the visible to the near infrared spectral regions. Moving beyond silver as a patch material we demonstrated that by using a modified galvanic replacement approach, gold/silver alloy patches could prepared on silica spheres. Here, analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy revealed that the redistribution of silver in the patch was essential for its lateral growth over the core. The strategy for the fabrication of patches of other noble metals (i.e. gold or platinum) was further generalized by using cationic polystyrene particles as cores. The morphology of synthesized gold patches was found to be strongly influenced by the concentration of ascorbic acid, which played a role as both reducing agent and substrate for gold surface diffusion. Thus, manipulation of the concentration of ascorbic acid or the reaction pH value enabled the fabrication of a series of patch structures. In an important step towards scale-up of the patchy particle synthesis, our batch reaction approach was successfully transferred to a continuous flow reactor. Due to improved mixing, it brought the advantages of higher reproducibility and tunability of patch morphology and also enabled in-line spectral analysis. The simple processing techniques and tailored anisotropic materials produced in this work open up many exciting possibilities for future applications in catalysis, energy storage, optoelectronics and theranostics. show moreshow less
  • In dieser Arbeit werden die Faktoren, die einen entscheidenden Einfluss auf die wässrige Synthese von Patchy Partikeln haben, beschrieben. Dazu wird ein zweistufiger Prozess zur Herstellung von Silber-Patches auf nanoskaligen Silicakugeln vereinfacht und die Übertragung des Systems, d.h. das Wachstum von Edelmetall-Patches auf unterschiedliche Trägerpartikeln (bestehend aus Silica, Polystyrol oder Titandioxid), veranschaulicht. Um diese Ziele zu realisieren, muss der Zusammenhang der heterogenen Nukleation und dem lateralen Wachstum auf gekrümmten Oberflächen nichtmetallischer Partikeln verstanden werden. Das Ergebnis der durchgeführten Studie weist darauf hin, dass die elektrostatischen WeIn dieser Arbeit werden die Faktoren, die einen entscheidenden Einfluss auf die wässrige Synthese von Patchy Partikeln haben, beschrieben. Dazu wird ein zweistufiger Prozess zur Herstellung von Silber-Patches auf nanoskaligen Silicakugeln vereinfacht und die Übertragung des Systems, d.h. das Wachstum von Edelmetall-Patches auf unterschiedliche Trägerpartikeln (bestehend aus Silica, Polystyrol oder Titandioxid), veranschaulicht. Um diese Ziele zu realisieren, muss der Zusammenhang der heterogenen Nukleation und dem lateralen Wachstum auf gekrümmten Oberflächen nichtmetallischer Partikeln verstanden werden. Das Ergebnis der durchgeführten Studie weist darauf hin, dass die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen der Oberfläche der Trägerpartikeln und dem Metall-Precursor die heterogene Nukleation wesentlich beeinflussen, während dieser Aspekt und die Reaktionskinetik das Oberflächenwachstum dominieren. Dadurch kann durch Optimierung der Reaktionsbedingungen gezielt die Ausbeute der Patches und die Morphologie verändert werden. Im Besonderen wird die Morphologie der Silber-Patches auf Silicakugeln durch Modifikation der Reaktionstemperatur und der Zugaberate an Ammoniak beeinflusst, wodurch sich gezielt schalenartig bis dendritische Formen ausbilden können. Weiterhin wird die Ausbeute der Patches durch viele Parameter, wie zum Beispiel Temperatur, Konzentration und thermische Vorbehandlung der Silicakugeln, gesteuert. Die Morphologie der erhaltenen Patchy Patikeln bestimmt dabei die optischen Eigenschaften, wodurch Plasmonenresonanzen im sichtbaren und Nah-Infrarot Bereich eingestellt werden können. Abgesehen von Silber-Patches können Gold-Silber-Patches auf Silicakugeln, mit Hilfe einer modifizierten galvanischen Austausch/Umverteilungsmethode, hergestellt werden. Dabei haben Untersuchungen mittels energiedispersiven Röntgenspektroskopie gezeigt, dass die Umverteilung des Silbers in den Patches ein wichtiger Faktor für das laterale Wachstum auf den Trägerpartikeln ist. Weiterhin wird die Vorgehensweise zur Herstellung von Edelmetall-Patches (z.B. Gold oder Platin) auf kationische Polystyrol-Partikeln als Trägerpartikeln übertragen. Dabei wurde herausgefunden, dass die Morphologie der synthetisierten Gold-Patches stark von der Konzentration von Ascorbinsäure abhängig ist. Ascorbinsäure wirkt hier zum einem als Reduktionsmittel und zum anderen als Substrat für die Oberflächendiffusion von Gold. Die Variation der Ascorbinsäurekonzentration oder des pH-Wertes kann somit die Ausbildung einer Reihe von unterschiedlichen Patch Strukturen ermöglichen. In Bezug auf einen weiteren Schritt hinsichtlich eines Scale-up Prozesses konnte unsere Batch-Reaktion auf eine kontinuierliche Synthese der Patch Partikel übertragen werden. Durch weitere Optimierung der Mischungsbedingungen konnten Vorteile, wie eine Erhöhung der Reproduzierbarkeit, eine definierte Einstellung der Morphologie der Patches als auch Einführung einer Inlinespektralanalyse, erreicht werden. Die in dieser Arbeit gezeigte einfache Weiterentwicklung des Prozesses sowie die Herstellung von maßgeschneiderten anisotropen Strukturen eröffnen viele neue, interessante, potentielle Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der Katalyse, Energiespeicherung, Elektronenoptik und Theranostik.show moreshow less

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Metadaten
Author:Huixin Bao
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-65067
Advisor:Robin N. Klupp Taylor
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2015
Embargo Date:2015/08/11
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2015/07/17
Release Date:2015/08/21
SWD-Keyword:Patchy particles, plasmonic resonance, continuous flow process, noble metal nanostructures
Institutes:Technische Fakultät / Department Chemie- und Bioingenieurwesen
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Chemische Verfahrenstechnik / Chemische Verfahrenstechnik
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung

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