Модификация поверхности синтетического валлериита наночастицами золота: роль специфической адсорбции и дзета-потенциала

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Слоистые 2D-материалы, свойства которых могут радикально отличаться от характеристик трехмерных прекурсоров, имеют огромное теоретическое и прикладное значение. Недавно, с использованием простой методики автоклавного синтеза, нами получен слоистый 2D-материал – аналог природного минерала валлериита, в котором квазимоноатомные Cu–Fe–S листы перемежаются с бруситоподобными. Особенности электронной структуры таких материалов позволяют предлагать их как новый материал для широкого спектра приложений, таких как (электро)фотокатализ, высокоемкостные источники тока и т. п. В настоящей работе нанокомпозитные материалы получены путем иммобилизации наночастиц золота (НЧЗ) из цитратных гидрозолей на поверхности синтетических валлериитов, различающихся составом гидроксидных слоев, определяющих поверхностную плотность заряда. По данным рентгенофотоэлектронной спектроскопии (РФЭС), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), рентгеновского энергодисперсионного микроанализа и картин микродифракции электронов, золото, иммобилизованное на нанохлопьях валлериита с латеральными размерами 150–200 нм и толщиной десятки нм, представлено в форме отдельно расположенных сферических металлических НЧ со средним диаметром 11 нм; небольшое число агрегатов указывает на высокое сродство НЧЗ к поверхности минералов. Количество закрепленного золота на поверхности всех синтетических валлериитов одинаково, около 0.2 отн.%, что связано с одновременно протекающей сорбцией свободных цитрат-ионов, находящихся в гидрозолях НЧЗ, которые, как показали измерения дзета-потенциала, заряжают поверхность всех исследованных образцов синтетических валлериитов до примерно одинаковой отрицательной величины –40 мВ. Показано, что иммобилизация НЧЗ, согласно РФЭС данным, значительно снижает содержание магния и кислорода на поверхности синтетических валлериитов, за счет разрушения/растворения части бруситного слоя, а также снижается количество Fe3+, связанного с OH-группами, и одновременно растет доля Fe3+-O соединений. Сохранение слоистой структуры валлериитов после иммобилизации НЧЗ подтверждено методом ПЭМ.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. А. Карачаров

Институт химии и химической технологии СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Author for correspondence.
Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/24

М. Н. Лихацкий

Институт химии и химической технологии СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/24

Р. В. Борисов

Институт химии и химической технологии СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”; Сибирский федеральный университет

Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/24; 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Е. В. Томашевич

Институт химии и химической технологии СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/24

С. А. Воробьёв

Институт химии и химической технологии СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”

Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/24

С. М. Жарков

Институт физики СО РАН, ФИЦ “Красноярский научный центр СО РАН”; Сибирский федеральный университет

Email: antonkaracharov@ya.ru
Russian Federation, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/38; 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

References

  1. Mikhlin Yu.L., Likhatski M.N., Borisov R.V. et al. Metal chalcogenide–hydroxide hybrids as an emerging family of two-dimensional heterolayered materials: An early review // Materials. 2023. V. 16. № 19. P. 6381. https://doi.org/10.3390/ma16196381
  2. Urade A.R., Lahiri I., Suresh K.S. Graphene properties, synthesis and applications: A review // JOM. 2023. V. 75. № 3. P. 614–630. https://doi.org/10.1007/s11837-022-05505-8
  3. Derakhshi M., Daemi S., Shahini P. et al. Two-dimensional nanomaterials beyond graphene for biomedical applications // Journal of Functional Biomaterials. 2022. V. 13. № 1. P. 27. https://doi.org/10.3390/jfb13010027
  4. Long M., Wang P., Fang H., Hu W. Progress, challenges, and opportunities for 2D material based photodetectors // Advanced Functional Materials. 2019. V. 29. № 18. P. 1803807. https://doi.org/10.1002/adfm.201803807
  5. Tiwari S.K., Sahoo S., Wang N., Huczko A. Graphene research and their outputs: Status and prospect // Journal of Science: Advanced Materials and Devices. 2020. V. 5. № 1. P. 10–29. https://doi.org/10.1016/j.jsamd.2020.01.006
  6. Geim A.K., Grigorieva I.V. Van der Waals heterostructures // Nature. 2013. V. 499. № 7459. P. 419–425. https://doi.org/10.1038/nature12385
  7. Xu M., Lian T., Shi M., Chen H. Graphene-like twodimensional materials // Chem. Rev. 2013. V. 113. № 5. P. 3766–3798. https://doi.org/10.1021/cr300263a
  8. Zhang K., Feng Y., Wang F. et al. Two dimensional hexagonal boron nitride (2D-hBN): Synthesis, properties and applications // Journal of Materials Chemistry C. 2017. V. 5. № 46. P. 11992–12022. https://doi.org/10.1039/C7TC04300G
  9. Burch K.S., Mandrus D., Park J. Magnetism in two-dimensional van der Waals materials // Nature. 2018. V. 563. № 7729. P. 47–52. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0631-z
  10. Guo Y., Zhou S., Zhao J. Two-dimensional intrinsic ferromagnets with high Curie temperatures: Synthesis, physical properties and device applications // Journal of Materials Chemistry C. 2021. V. 9. № 19. P. 6103–6121. https://doi.org/10.1039/D1TC00415H
  11. Cheng Y.-W., Dai J.-H., Zhang Y.-M., Song Y. Two dimensional, ordered, double transition metal carbides (MXenes): A new family of promising catalysts for the hydrogen evolution reaction // The Journal of Physical Chemistry C. 2018. V. 122. № 49. P. 28113–28122. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b08914
  12. Kim H., Alshareef H.N. MXetronics: MXene-enabled electronic and photonic devices // ACS Materials Letters. 2020. V. 2. № 1. P. 55–70. https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.9b00419
  13. Gao M.-R., Xu Y.-F., Jiang J., Yu S.-H. Nanostructured metal chalcogenides: Synthesis, modification, and applications in energy conversion and storage devices // Chemical Society Reviews. 2013. V. 42. № 7. P. 2986–3017. https://doi.org/10.1039/C2CS35310E
  14. Monga D., Sharma S., Shetti N.P. et al. Advances in transition metal dichalcogenide-based two-dimensional nanomaterials // Materials Today Chemistry. 2021. V. 19. P. 100399. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2020.100399
  15. Du Z., Yang S., Li S. et al. Conversion of non-van der Waals solids to 2D transition-metal chalcogenides // Nature. 2020.V. 577. № 7791. P. 492–496. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1904-x
  16. Gao T., Zhang Q., Li L. et al. 2D ternary chalcogenides // Advanced Optical Materials. 2018. V. 6. № 14. P. 1800058. https://doi.org/10.1002/adom.201800058.
  17. He Z., Que W. Molybdenum disulfide nanomaterials: Structures, properties, synthesis and recent progress on hydrogen evolution reaction // Applied Materials Today. 2016. V. 3. P. 23–56. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2016.02.001
  18. Pekov I.V., Yapaskurt V.O., Polekhovsky Y.S. et al. Ekplexite (Nb, Mo)S2·(Mg1-xAlx)(OH)2+x, kaskasite (Mo, Nb)S2·(Mg1-xAlx)(OH)2+x and manganokaskasite (Mo, Nb)S2·(Mn1-xAlx)(OH)2+x, three new valleriite-group mineral species from the Khibiny alkaline complex, Kola peninsula, Russia // Mineralogical Magazine. 2014. V. 78. № 3. P. 663–679. https://doi.org/10.1180/minmag.2014.078.3.14
  19. Mikhlin Y.L., Romanchenko A.S., Tomashevich E.V. et al. XPS and XANES study of layered mineral valleriite // Journal of Structural Chemistry. 2017. V. 58. P. 1137–1143. https://doi.org/10.1134/S0022476617060105
  20. Mikhlin Y.L., Likhatski M.N., Bayukov O.A. et al. Valleriite, a natural two-dimensional composite: X ray absorption, photoelectron and Mössbauer spectroscopy and magnetic characterization // ACS Omega. 2021. V. 6. № 11. P. 7533–7543. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c06052
  21. Михлин Ю.Л., Лихацкий М.Н., Романченко А.С. и др. Валлериитсодержащая руда Кингашского месторождения (Сибирь, Россия): Мессбауэровская и рентгенофотоэлектронная спектроскопия, термические и межфазные свойства // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2022. Т. 15. № 3. С. 303–317.
  22. Карачаров А.А., Борисов Р.В., Михлин Ю.Л. и др. Исследование возможности бактериального вскрытия синтетических валлериитсодержащих материалов // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2023. Т. 16. № 2. С. 300–311.
  23. Mikhlin Yu.L., Borisov R.V., Vorobyev S.A. et al. Synthesis and characterization of nanoscale composite particles formed by 2D layers of Cu–Fe sulfide and Mg-based hydroxide // Journal of Materials Chemistry A. 2022. V. 10. № 17. P. 9621–9634. https://doi.org/10.1039/D2TA00877G
  24. Likhatski M.N., Borisov R.V., Fetisova O. Yu. et al. Specificity of the thermal stability and reactivity of two-dimensional layered Cu–Fe sulfide-Mg-based hydroxide compounds (Valleriites) // ACS Omega. 2023. V. 8. № 39. P. 36109–36117. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c04274
  25. Lee M., Amaratunga P., Kim J., Lee D. TiO2 nanoparticle photocatalysts modified with monolayer-protected gold clusters // The Journal of Physical Chemistry C. 2010. V. 114. № 43. P. 18366–18371. https://doi.org/10.1021/jp106337k
  26. Haruta M. Gold as a novel catalyst in the 21st Century: Preparation, working mechanism and applications // Gold Bulletin. 2004. V. 37. № 1–2. Р. 27–36. https://doi.org/10.1007/BF03215514
  27. Campbell C.T., Sharp J.C., Yao Y.X. et al. Insights into catalysis by gold nanoparticles and their support effects through surface science studies of model catalysts // Faraday Discussions. 2011. V. 152. P. 227–239. https://doi.org/10.1039/C1FD00033K
  28. Linic S., Chavez S., Elias R. Flow and extraction of energy and charge carriers in hybrid plasmonic nanostructures // Nature Materials. 2021. V. 20. P. 916–924. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00858-4
  29. Sandroni M., Wegner K.D., Aldakov D, Reiss P. Prospects of chalcopyrite-type nanocrystals for energy applications // ACS Energy Letters. 2017. V. 2. № 5. P. 1076–1088. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.7b00003
  30. Spear N.J., Hallman K.A., Hernández-Pagán E.A. et al. Enhanced broadband and harmonic upconversion from coupled semiconductor and metal nanoparticle films // ACS Applied Nano Materials. 2020. V. 3. № 4. P. 3144–3150. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00064
  31. Torimoto T., Horibe H., Kameyama T. et al. Plasmon-enhanced photocatalytic activity of cadmium sulfide nanoparticle immobilized on silica-coated gold particles // The Journal of Physical Chemistry Letters. 2011. V. 2. № 16. P. 2057–2062. https://doi.org/10.1021/jz2009049
  32. Tagliabue G., DuChene J.S., Abdellah M. et al. Ultrafast hot-hole injection modifies hot-electron dynamics in Au/p-GaN heterostructures // Nature Materials. 2020. V. 19. P. 1312–1318. https://doi.org/10.1038/s41563-020-0737-1
  33. Dorfs D., Härtling T., Miszta K. et al. Reversible tunability of the near-infrared valence band plasmon resonance in Cu2-XSe nanocrystals // Journal of the American Chemical Society. 2011. V. 133. № 29. P. 11175–11180. https://doi.org/10.1021/ja2016284
  34. Guzman F.V., Mercadal P.A., Coronado E.A., Encina E.R. Near-field enhancement contribution to the photoactivity in magnetite–gold hybrid nanostructures // The Journal of Physical Chemistry C. 2019. V. 123. № 49. P. 29891–29899. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09421
  35. Novotny L., Hulst van N. Antennas for light // Nature Photonics. 2011. V. 5. № 2. P. 83–90. https://doi.org/10.1038/nphoton.2010.237
  36. Zhan C., Chen X.J., Yi J. et al. From plasmon-enhanced molecular spectroscopy to plasmon-mediated chemical reactions // Nature Reviews Chemistry. 2018. V. 2. № 9. P. 216–230. https://doi.org/10.1038/s41570-018-0031-9
  37. Hou W., Cronin S.B. A Review of surface plasmon resonance-enhanced photocatalysis // Advanced Functional Materials. 2012. V. 23. № 13. P. 1612–1619. https://doi.org/10.1002/adfm.201202148
  38. Agrawal A., Cho S.H., Zandi O. et al. Localized surface plasmon resonance in semiconductor nanocrystals // Chemical Reviews. 2018. V. 118 № 6. P. 3121–3207. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.7b00613
  39. Sperling R.A., Gil P.R., Zhang F. et al. Biological applications of gold nanoparticles // Chemical Society Reviews. 2008. V. 37. № 9. P. 1896–1908. https://doi.org/10.1039/B712170A
  40. Sardar R., Funston A.M., Mulvaney P., Murray R.W. Gold nanoparticles: Past, present, and future // Langmuir. 2009. V. 25. № 24. P. 13840–13851. https://doi.org/10.1021/la9019475
  41. Haruta M. Gold as a novel catalyst in the 21st Century: Preparation, working mechanism and applications // Gold Bulletin. 2004. V. 37. № 1–2. P. 27–36. https://doi.org/10.1007/bf03215514
  42. Corma A., Garcia H. Supported gold nanoparticles as catalysts for organic reactions // Chemical Society Reviews. 2008. V. 37. № 9. P. 2096–2126. https://doi.org/10.1039/b707314n
  43. Jain P.K., Lee K.S., El-Sayed I.H., El-Sayed M.A. Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: Applications in biological imaging and biomedicine // The Journal of Physical Chemistry B. 2006. V. 110. № 14. P. 7238–7248. https://doi.org/10.1021/jp057170o
  44. Wang G., Zhang C., He X. et al. Detection of hydrazine based on Nano-Au deposited on Porous-TiO2 film // Electrochimica Acta. 2010. V. 55. № 24. P. 7204–7210. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2010.07.053
  45. Haruta M., Kobayashi T., Sano H., Yamada N. Novel gold catalysts for the oxidation of carbon monoxide at a temperature far below 0°C // Chemistry Letters. 1987. V. 16. № 2. P. 405–408. https://doi.org/10.1246/cl.1987.405
  46. Haruta M., Yamada N., Kobayashi T., Ijima S. Gold catalysts prepared by coprecipitation for low-temperature oxidation of hydrogen and of carbon monoxide // Journal of Catalysis. 1989. V. 115. № 2. P. 301–309. https://doi.org/10.1016/0021-9517(89)90034-1
  47. Hutchings G.J. Catalysis by gold // Catalysis Today. 2005. V. 100. № 1–2. P. 55–61. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.12.016
  48. Primo A., Corma A., Garcia H. Titania supported gold nanoparticles as photocatalyst // Physical Chemistry Chemical Physics. 2011. V. 13. № 3. P. 886–910. https://doi.org/10.1039/c0cp00917b
  49. Andreeva D., Tabakova T., Idakiev V. et al. Au-Fe2O3 catalyst for water-gas shift reaction prepared by deposition-precipitation // Applied Catalysis A. 1998. V. 169. № 1. P. 9–14. https://doi.org/10.1016/s0926-860x(97)00302-5
  50. Haruta M. Spiers memorial lecture: Role of perimeter interfaces in catalysis by gold nanoparticles // Faraday Discussions. 2011. V. 152. P. 11–32. https://doi.org/10.1039/c1fd00107h
  51. Лихацкий М.Н., Карачаров А.А., Романченко А.С. и др. Сравнительное исследование осаждения наноразмерных интермедиатов Au–S из водных растворов на поверхности CuO, TiO2 и α-Fe2O3 // Журнал структурной химии. 2021. Т. 62. № 4. С. 655–663. https://doi.org/10.26902/jsc_id71161
  52. Борисов Р.В., Белоусов О.В., Жижаев А.М. Осаждение золота (III) из солянокислых растворов на углеродные нанотрубки в гидротермальных условиях // Журнал Сибирского федерального университета. Химия. 2019. Т. 12. № 4. С. 494–502. https://doi.org/10.17516/1998-2836-0145
  53. Борисов Р.В., Белоусов О.В., Лихацкий М.Н. и др. Гидротермальный синтез наноразмерных частиц Ir и Ir-Pd на углеродных нанотрубках // Известия Академии Наук. Серия Химическая. 2022. Т. 71. № 6. С. 1164–1172.
  54. Борисов Р.В., Белоусов О.В., Жижаев А.М. и др. Синтез биметаллических наночастиц Pd-Au и Pt-Au на углеродных нанотрубках в автоклаве // Известия Академии Наук. Серия Химическая. 2021. Т. 70. № 8. С. 1474–1482. https://doi.org/10.1007/s11172-021-3242-z
  55. Dement’eva O.V., Kartseva M.E. Noble metal nanoparticles in biomedical thermoplasmonics // Colloid Journal. 2023. V. 85. № 4. P. 500–519. https://doi.org/10.1134/S1061933X23700187
  56. Khan S.A., Misra T.K. Investigation of newly developed 5-aminoisophthalate capped gold nanoparticles for degradation of azo-dyes // Colloid Journal. 2023. V. 85. № 4. P. 650–665. https://doi.org/10.1134/S1061933X22600622
  57. Hussein M. Structural and optomagnetic properties of Ni-doped ZnS synthesized by solvothermal method // Colloid Journal. 2023. V. 85. № 4. P. 666–672. https://doi.org/10.1134/S1061933X22600610
  58. Aslam U., Rao V.G., Chavez S., Linic S. Catalytic conversion of solar to chemical energy on plasmonic metal nanostructures // Nature Catalysis. 2018. V. 1. № 9. P. 656–665. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0138-x
  59. Mikhlin Yu.L., Karacharov A.A., Likhatski M.N. et al. Submicrometer intermediates in the citrate synthesis of gold nanoparticles: New insights into the nucleation and crystal growth mechanisms // Journal of Colloid and Interface Science. 2011. V. 362. № 2. P. 330–336. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.06.077
  60. Turkevich J., Stevenson P.C., Hillier J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold // Discussions Faraday Society. 1951. V. 11. P. 55–75. https://doi.org/10.1039/df9511100055
  61. Frens G. Controlled nucleation for the regulation of the particle size in monodispersed gold suspensions // Nature: Physics Society. 1973. V. 241. № 105. P. 20–22. https://doi.org/10.1038/physci241020a0
  62. Бриггс Д., Сих М.П. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. М.: Мир, 1987. 600 с.
  63. Mikhlin Y., Romanchenko A., Tomashevich Y. Surface and interface analysis of iron sulfides in aqueous media using X-ray photoelectron spectroscopy of fast-frozen dispersions // Applied Surface Science. 2021. V. 549. P. 149261. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149261.
  64. Nogueira, K.A.B., Cecilia, J.A., Santos, S.O. et al. Adsorption behavior of bovine serum albumin on Zn–Al and Mg–Al layered double hydroxides // Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2016. V. 80. № 3. P. 748–758. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4166-1.
  65. Nasluzov V., Shor A., Romanchenko A. et al. DFT + U and low-temperature XPS studies of Fe-depleted chalcopyrite (CuFeS2) surfaces: A focus on polysulfide species // The Journal of Physical Chemistry C. 2019. V. 123. № 34. P. 21031–21041. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b06127
  66. Mikhlin Y., Nasluzov V., Ivaneeva A. et al. Formation, evolution and characteristics of copper sulfide nanoparticles in the reactions of aqueous cupric and sulfide ions // Materials Chemistry and Physics. 2020. V. 255. P. 123600. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2020.123600
  67. Mikhlin Y., Nasluzov V., Romanchenko A. et al. Layered structure of the near-surface region of oxidized chalcopyrite (CuFeS2): Hard X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy and DFT+U studies // Physical Chemistry Chemical Physics. 2017. V. 19. № 4. P. 2749–2759. https://doi.org/10.1039/c6cp07598c
  68. Verwey, E.J.W., Overbeek J. Th.G. Theory of the Stability of Lyophobic Colloids. New York-Amsterdam: Elsevier, 1948. 216 p.
  69. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М.: Наука, 1987. 398 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. Dependence of the change in the value of the zeta potential on the number of washings (left) for freshly synthesized samples of pure (a) and doped with aluminum (b), lithium (c) and a mixture of lithium and aluminum (d) wallerites. The values of the zeta potentials of fullerite samples after drying and subsequent redispersion in 0.05 M KCl solution are given. On the right is a photo of synthesized materials after the first washing with deionized water. The settling time is 5 minutes. The red lines indicate the boundaries of lightening. The given values of the zeta potentials were measured according to the method described in the experimental part.

Download (555KB)
3. Fig. 2. RFES spectra of the Au 4f5/2,7/2 and Fe 2p3/2,1/2 line of samples of pure (undoped) wallerite (a, b, c) and doped with aluminum (g, d, e), lithium (w, z, i), lithium and aluminum (k, l, m) before (b, d, z, l) and after (a, c, g, e, f, i, k, m) sorption of NPS from colloidal solutions.

Download (1MB)
4. Fig. 3. RFES spectra of the S 2p3/2,1/2 and C 1s line of samples of pure (undoped) wallerite (a, b, a’, b’) and doped with aluminum (b, e, b’, e’), lithium (w, z, w’, z’), lithium and aluminum (i, k, i', k") before (a, a', b, b', d, d', w, w') and after (b, b', g, g', e, e', z, z') sorption of NPS from colloidal solutions.

Download (906KB)
5. Fig. 4. Change in the zeta potential of dry powders before (curves 1-4) and after (curves 1՛-4՛) sorption of sodium citrate.

Download (199KB)
6. Fig. 5. Characteristic TEM micrographs (a-c); d – histogram of the size distribution of NPS; d – electron microdifraction pattern for an aluminum–doped wallerite sample after deposition of NPS from a colloidal solution; e - data from X-ray energy dispersive microanalysis taken from 3 sites indicated in Figure (b): site No. 1 – unshaded columns, plot No. 2 – single hatching, plot No. 3 – double hatching.

Download (1MB)


This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies