Shape Selective Green Synthesis of Silver Nanoparticles

Abstract

Hovedformålet med dette prosjektet var å utvikle en metode for å syntetisere nanopartikler av sølv med kontroll over både partikkelstørrelse og -morfologi, basert på prinsippene fra grønn kjemi. Sølvnanopartikler har mange ulike bruksområder, grunnet deres unike optiske, elektriske og antibakterielle egenskaper. Alle disse bruksområdene avhenger av morfologien og størrelsen til partiklene. De mest brukte syntesemetodene for å få partikler med spesifikke former er basert på reduksjon av sølv i organiske løsemidler, utført ved både høy temperatur og høyt trykk. Dette medfører at produksjonen både er svært energikrevende og resulterer i giftig avfall, en mer miljøvennlig syntesemetode er følgelig ønskelig.

Eksperimentene ble utført ved at sølvnitrat dråpevis ble tilsatt en vandig løsning av askorbinsyre. Rollen til askorbinsyre var her å være reduksjonsmiddelet. Natriumhydroksid ble brukt som base, og ble tilsatt askorbinsyreløsningen i varierende volum. Andre parametere som ble variert, var konsentrasjonen og addisjonsraten til sølvnitratløsningen. I noen av eksperimentene ble det også brukt polyvinylpyrrolidone (PVP), som ble tilsatt på ulike tidspunkt gjennom synteseprosessen. Ved slutten av syntesen ble et par dråper ble tatt direkte fra reaksjonsløsningen og undersøkt med skanningelektronmikroskop. Det ble tatt bilder av alle prøvene med skanningelektronmikroskopet, og noen av prøvene ble også analysert med ultrafiolett-synlig spektroskopi, røntgendiffraksjon og Zetasizer.

Et av hovedfunnene er at det å variere volumet av base resulterer i en tydelig endring i både partikkelmorfologi og -størrelse. Høyt basevolum resulterer i små partikler med semi-sfærisk form, mens eksperimenter med mindre basevolum resulterer i større, forgrenede partikler. Denne trenden ble observert både for eksperimenter med 2 mM og 6 mM konsentrasjon av sølvnitrat. Et annet funn var fasetterte partikler fra syntese med 6 mM sølvnitrat. Dette ble antatt å være et resultat av en nukleeringsdominert prosess, hvor mye av overmetningen i løsningen blir konsumert i nukleeringsprosessen, som fører til en langsom og mer kontrollert vekstprosess, som til slutt resulterer i fasetterte partikler.

Nærværet av PVP endrer både morfologien og størrelsen til partiklene betydelig. For eksperimenter hvor PVP ble tilsatt før addisjonen av sølvnitrat, viste partiklene varierende morfologi, og besto både av semi-sfæriske partikler og plater med ulike former. Da PVP ble tilsatt noe senere i synteseprosessen ble partiklene store og semi-sfæriske, som indikerer at PVP reduserer vekstraten. For eksperimenter hvor PVP ble tilsatt mot slutten av prosessen, indikerte ikke dette å gi en tydelig innvirkning på hverken partikkelmorfologi eller størrelse.

Resultatene av dette arbeidet viser at den grønne syntesemetoden som ble brukt potensielt kan brukes for å syntetisere sølvpartikler med kontroll over partikkelstørrelse og morfologi. Videre studier kreves for å utforske den synergistiske effekten av reaksjonsparametere, samt å optimalisere systemet mot ønsket populasjon av partikler.

The main object of this project is to develop a synthesis method for silver nanoparticles with control on both size and particle morphology, based on the principles of green chemistry. Silver nanoparticles have a vast range of applications, due to their unique optical, electric and antibacterial properties. All of these applications are dependent on the morphology and size of the particles. Commonly used shape selective synthesis methods are based on reduction of silver in organic solvents at high temperature and high pressure, which is both energy demanding and results in toxic waste, and a greener synthesis method is consequently desired.

Experiments were performed where the metal precursor, silver nitrate, was added dropwise to an aqueous ascorbic acid solution, which was used as the reducing agent. The base, sodium hydroxide, was added to the ascorbic acid solution in varying volumes. Other parameters that were varied was the concentration and addition rate of the silver nitrate solution. In some of the experiments polyvinylpyrrolidone (PVP) was added to the system, where the time point of addition in the synthesis process was varied. At the end of the synthesis, a few drops were taken directly from reaction solution and used for scanning electron microscopy imaging. Imaging was done for all experiments, and in addition there was used UV-visible spectroscopy, X-ray powder diffraction and Zetasizer for some of the samples.

The main findings include a distinct morphology and size change for the different volumes of base used. When a larger volume of the base was used, the final particles were small and semi-spherical, while with smaller volumes added, the particles were larger and branched. This same trend was observed both for a concentration of 2 mM and 6 mM silver nitrate. Another interesting finding was the observation of faceted particles from synthesis with 6 mM silver nitrate. This was assumed to be the result of a nucleation dominated process, where a large amount of the supersaturation was consumed in the nucleation process, leading to a slow, more controlled growth process, resulting in faceted particles.

The presence of PVP seemed to significantly impact the morphology and size of the final silver particles. When PVP was present in the system prior to addition of silver nitrate, the final particles had a varied morphology, including semi-spherical particles and plates with various shapes. When PVP was added later in the process it seemed to slow down the growth rate, resulting in large semi-spherical particles, while when PVP was added nearer the end of the synthesis it did not seem to impact the particle morphology and size in any significant extent.

The results of this work shows that the green synthesis method employed here potentially can be used to synthesise silver particles with control on both particle size and morphology. Further studies are needed to explore the synergistic effects of reaction parameters, and to optimise the system towards chosen particle populations.