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The role of pre-nucleation clusters in the crystallization of gold nanoparticles

Authors :
Valeri Petkov
Lise-Marie Lacroix
Ezgi Yildirim
Jorge A. Vargas
Raj Kumar Ramamoorthy
Philippe Decorse
Sébastien Teychené
Pierre Roblin
Guillaume Viau
Enguerrand Barba
Isaac Rodríguez-Ruiz
Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO)
Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT)
Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Fédération de Recherche Fluides, Energie, Réacteurs, Matériaux et Transferts (FERMAT)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)
Laboratoire de Génie Chimique (LGC)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Central Michigan University (CMU)
Universidad Autonoma de Zacatecas [Autonomous University of Zacatecas] (UAZ)
Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (ITODYS (UMR_7086))
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)
Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Central Michigan University - CMU (USA)
Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE)
Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE)
Institut national de recherche pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement - INRAE (FRANCE)
Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse - INSA (FRANCE)
Office National d'Etudes et Recherches Aérospatiales - ONERA (FRANCE)
Universidad Autónoma de Zacatecas - UAZ (MEXICO)
Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE)
Université de Paris - U-Paris (FRANCE)
Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes - ITODYS (Paris, France)
Source :
Nanoscale, Nanoscale, 2020, 12 (30), pp.16173-16188. ⟨10.1039/d0nr03486j⟩, Nanoscale, Royal Society of Chemistry, 2020, 12 (30), pp.16173-16188. ⟨10.1039/d0nr03486j⟩, Nanoscale, Royal Society of Chemistry, 2020, 12, pp.16173-16188. ⟨10.1039/D0NR03486J⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

International audience; The syntheses of metal nanoparticles by reduction in apolar solvents in the presence of long chain surfactants have proven to be extremely effective in the control of the particle size and shape. Nevertheless, the elucidation of the nucleation/growth mechanism is not straightforward because of the multiple roles played by surfactants. The nucleation stage, in particular, is very difficult to describe precisely and requires in situ and time-resolved techniques. Here, relying on in situ small angle X-ray scattering (SAXS), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and high-energy X-ray diffraction (HE-XRD), we propose that ultra-small gold particles prepared by reduction of gold chloride in a solution of oleylamine (OY) in hexane with triisopropylsilane do not follow a classical nucleation process but result from pre-nucleation clusters (PNCs). These PNCs contain Au(III) and Au(I) precursors; they are almost stable in size during the induction stage, as shown by SAXS, prior to undergoing a very fast shrinkage during the nucleation stage. The gold speciation as a function of time deduced from the XAS spectra has been analyzed through multi-step reaction pathways comprising both highly reactive species, involved in the nucleation and growth stages, and poorly reactive species acting as a reservoir for the reactive species. The duration of the induction period is related to the reactivity of the gold precursors, which is tuned by the coordination of OY to the gold complexes, while the nucleation stage was found to depend on the size and reactivity of the PNCs. The role of the PNCs in determining the final particle size and structure is also discussed in relation to previous studies. The multiple roles of OY, as the solubilizing agent of the gold salt, the ligand of the gold complexes determining both the size of the PNCs and the reactivity of the gold precursors, and finally the capping agent of the final gold particles as oleylammonium chloride, have been clearly established. This work opens new perspectives to synthesize metal NPs via metal–organic PNCs and to define new synthesis routes for nanoparticles that may present structure and morphologies different from those obtained by the classical nucleation routes.

Details

Language :
English
ISSN :
20403364 and 20403372
Database :
OpenAIRE
Journal :
Nanoscale, Nanoscale, 2020, 12 (30), pp.16173-16188. ⟨10.1039/d0nr03486j⟩, Nanoscale, Royal Society of Chemistry, 2020, 12 (30), pp.16173-16188. ⟨10.1039/d0nr03486j⟩, Nanoscale, Royal Society of Chemistry, 2020, 12, pp.16173-16188. ⟨10.1039/D0NR03486J⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....d43a7bbb57a2ce01ebd82ea4c87d4259
Full Text :
https://doi.org/10.1039/d0nr03486j⟩