Síntesis de nanoparticulas multifuncionalizadas tipo Core-Shell mediante rutas quimicas

Abstract

In this thesis, the results of different core-shell structures are presented after having been synthesized by the modified Stöber method, results of UV-Vis, SEM, TEM, XRD, among others, are shown, which determined the composition, morphology, and crystalline structure of particles of submicron and even nanometric size. Each chapter shows the results of the production and characterization of core-shell structures. Different core-shell structures with a variety of morphologies were produced using a simple, robust and rapid chemical method, without the addition of coupling agents or surface modifications of the silica. In the first chapter, SiO2@Ag core-shell nanospheres (50±10nm) were prepared, whose silver nanoparticles have sizes of ~4±2 nm in diameter. The preparation route is a modification of the Stöber method and involves the preparation of homogeneous silica spheres at room temperature, combined with the deposition of silver nanoparticles Ag+ in solution, by using water/ethanol mixtures, tetraethyl-orthosilicate as Si source and silver nitrate as an Ag source in a wet chemical method in one pot, without the addition of coupling agents or surface modification, leading to the formation of homogeneous core-shell nanospheres. The preparation and characterization of SiO2@Ag core-shell nanospheres and also of naked nanospheres, in the absence of silver, are presented, and the reaction mechanisms for the formation of core-shell structures are proposed. The second chapter presents three different silver nanoshells morphologies, produced on silica spheres using the modified Stöber method, previously proposed, adding a second supply of silver nanoparticles, which leads to the formation of silica core-silver nanoshells with silica cores from 50 to 600 nm in diameter and silver shells morphologies ranging from continuous, uniform and smooth layer about 10 nm thick, to rough surfaces of 3-5 nm nanoparticles to sharp spikes-like silver protrusions extending outward from the surface of the silica. We propose reaction mechanisms for the formation of the different silica-silver core-shell nanostructures. In the third chapter we describe the production of a smooth and uniform silver outer nanoshell with a thickness of ~ 15 nm on submicrospheric silica, using a rapid and simple one pot chemical route. The reaction mechanisms proposed for the formation of silver nanoshell is the reactivity of silver nanoparticles with surface silanols at high pH, without added coupling agents or surface modification of silica, leading to the formation of the continuous and homogeneous silver nanoshell on the silica spheres. The fourth chapter reviews the deposition of silver nanoparticles on the surface of silica using our simple, robust, and fast chemical method without surface modification of silica or added coupling agents. The process was carried out at room temperature, in a single reaction process, using water/methanol mixtures, tetraethyl-orthosilicate as a Si source and silver nanoparticles (NPs). Using EDS, XRD, HRTEM and High Angle Annular Dark Field (HAADF) STEM characterization techniques, we have found the coexistence of silver NPs and silver oxide NPs anchored to the surface of submicron silica spheres, with Ag NPs predominating sizes around 2-3 nm approximately, and Ag2O NPs sizes over 10 nm. Each of these presented articles describe the preparation and characterization of the core-shell SiO2 @ Ag structures and propose the reaction mechanisms. Finally, we presented the analysis and conclusion of this work.

En esta tesis se presenta los resultados de diferentes estructuras de tipo core-shell después de haberlas sintetizado por el método de Stöber modificado, se muestran resultados de UV-Vis, SEM, TEM, XRD, entre otras, que determinaron la composición, morfología y estructura cristalina de partículas de tamaño submicrométrico e incluso nanométrico. Cada capítulo muestra los resultados de la producción y caracterización de estructuras tipo `core-shell¿ (núcleo@capa). Se produjeron diferentes estructuras núcleo-capa con una variedad de morfologías usando un método químico simple, robusto y rápido, sin la adición de agentes de acoplamiento o modificaciones superficiales de la sílice. En el primer capítulo se sintetizaron nanoesferas núcleo@capa de SiO2@Ag de ~50±10 nm, cuyas nanopartículas de plata tienen tamaños de ~4±2 nm en diámetro. La ruta de preparación es una modificación del método Stöber, e involucra la preparación de esferas de sílice homogéneas a temperatura ambiente, combinada con la deposición de nanopartículas de plata de Ag+ en solución, mediante el uso de mezclas de agua/etanol, tetraetil-ortosilicato como fuente de Si y nitrato de plata como fuente de Ag en una ruta química húmeda en un solo recipiente, sin la adición de agentes de acoplamiento o la modificación de la superficie, lo que lleva a la formación de nanoesferas homogéneas core-shell. Se presenta la preparación y caracterización de nanoesferas core-shell de SiO2@Ag y también de nanoesferas desnudas, en ausencia de plata, y se proponemos los mecanismos de reacción para la formación de las estructuras core-shell. El segundo capítulo presenta la preparación de tres diferentes morfologías de nanocapas de plata sobre esferas de sílice usando el método Stöber modificado, propuesto anteriormente, adicionando un segundo suministro de nanopartículas de plata, lo que lleva a la formación de núcleos de sílice y nanocapas de plata, cuyos núcleos de sílice tienen diámetros de 50 a 600 nm y distintas morfologías de las capas de plata, que van desde capas continuas, uniformes y lisas de 10 nm en grosor, hasta superficies rugosas de nanopartículas de 3-5 nm, e incluso plata en forma de agujas puntiagudas o ¿spikes¿ extendiéndose hacia fuera de la superficie de la sílice. Proponemos mecanismos de reacción para la formación de las diferentes nanoestructuras core-shell de sílice@plata. En el tercer capítulo describimos la producción de una nanocapa de plata externa lisa y uniforme con un grosor de ~15 nm sobre sílice submicroesférica, usando una ruta química rápida y simple en un solo recipiente. Los mecanismos de reacción propuestos para la formación de nanocapas de plata es la reactividad de nanopartículas de plata con silanoles en la superficie con un pH alto, sin agregar agentes de acoplamiento o modificación de la superficie de la sílice, conduciendo en la formación de nanocapas continuas y homogéneas sobre las esferas de sílice. El cuarto capítulo expone la deposición de las nanopartículas de plata sobre la superficie de la sílice usando nuestro método químico simple, robusto y rápido sin modificar la superficie de la sílice o agregado agentes de acoplamiento. El proceso fue realizado a temperatura ambiente, en un proceso de reacción única, usando mezclas de agua/metanol, tetraetil-ortosilicato como fuente de Si y nanopartículas (NPs) de plata. Mediante las técnicas de caracterización EDS, XRD, HRTEM y High Angle Annular Dark Field (HAADF) STEM se encontró la coexistencia de NPs de plata y NPs de óxido de plata ancladas a la superficie de esferas submicrométricas de sílice, los tamaños predominantes de las NPs de Ag rondan entre 2-3 nm aproximadamente, y los tamaños de las NPs de Ag2O están por encima de 10 nm. Cada uno de estos artículos presentados describen la preparación y caracterización de las estructuras núcleo@capa SiO2@Ag y proponen los mecanismos de reacción. Finalmente presentamos un análisis y conclusión de este trabajo