Chemistry and catalysis advances in organometallic chemistry and catalysis


Download 11.05 Mb.
Pdf ko'rish
bet71/115
Sana23.06.2017
Hajmi11.05 Mb.
#9613
1   ...   67   68   69   70   71   72   73   74   ...   115

31.5

COBALT

31.5.1

Cobalt Nanoparticles and Nanorods

Cobalt nanocrystals are also good candidates for many applications aiming at exploiting their magnetic properties [54]. This

is due to their high magnetic moment and to their effective anisotropy which is much higher than that of iron. Furthermore,

the possibility of cobalt in adopting different crystal phases facilitates a modulation of its magnetic properties through shape

control.


430

ORGANOMETALLIC NANOPARTICLES

1.3nm,

σ = 0.8 nm

5.4nm,


σ = 0.5 nm

6.2nm,


σ = 0.6 nm

7.7nm,


σ = 0.4 nm

9.4nm,


σ = 0.5 nm

13.3nm,


σ = 1.0 nm

20.8nm,


σ = 2.7 nm

0

1



1.1

1.2


1.3

1.4


1.5

100 nm


100 nm

200 nm


1

μm

(a)



(b)

(c)


Figure 31.9

TEM images of Fe NPs. (a) Size evolution as a function of the acid concentration between 0 and 1.5 equiv. (b) 5.5 nm

nanospheres and (c) 13.3 nm nanocubes obtained with 1 and 1.4 equiv of acid, respectively. Nanocubes self-organized into micrometric

wires [67].

(a)

(c)


(d)

(e)


(b)

1

μm



1

μm

?



50 nm

50 nm


Anisotropic

Nucleation

Growth:coalescence

Growth:ripening

Isotropic

G

r



o

w

t



h

Figure 31.10

TEM images of (a) organic super structure before decomposition and (b) self-assemblies obtained after 48 h; they

are filled with (c) nanocubes while (d) nanospheres are found outside of these micrometric organizations. (e) Schematic view of the

environment-dependent growth mechanism proposed.

The “organometallic” approach has greatly contributed to the enrichment of the arsenal of Co nanocrystals available by

chemical routes, affording highly crystalline, oxide-free nanocrystals of various sizes and shapes. The first precursor used

by our group was the Co

I

organometallic complex [Co(



η

3

-C



8

H

13



)(

η

4



-C

8

H



12

)]. This compound in THF and in the presence

of PVP affords, upon reaction with H

2

, NPs of very small size (1.6–2 nm) even at temperatures as low as 0



C [55]. An

important characteristic of these objects was the enhanced magnetic moment per cobalt atom (

μCo = 1.94 ± 0.04 μB)



COBALT

431

100 nm


50 nm

10 nm


(a)

(b)


(c)

(d)


Figure 31.11

(a) SEM image of nanostars. (Inset), TEM image of a single star. (b) TEM image of porous nanocubes, obtained with

dodecylamine/lauric acid surfactants. (c), (d) 3D reconstruction of the nanocubes obtained from electron tomography study, the defects

embedded within the objects are represented in blue, and the outer surface of the cubes are in light violet. (See insert for color representation

of the figure.)

(b)


(a)

(c)


H

1

H



2

[010]


[100]

[001]


10 nm

15

15



20

25

30



35

40

45



20

25

30



35

40

45



20

30

40



z

 (nm)


x (nm)

y (nm)

0

0.1



0.2

0.3


0.4

0.5 m

2

0.6


0.7

0.8


0.9

1

Figure 31.12

(a) TEM image of a 30 nm nanocube. (b) Mapping of the induction field obtained from electronic holography. (c) 3D

visualization of the magnetic moment simulated within the nanocube. (See insert for color representation of the figure.)

compared to the bulk value. This finding is attributed the high surface to volume ratio of the NPs. This enhancement,

observed for the first time in NPs prepared by chemical methods, was found to cancel when CO was coordinated to the

surface of the objects. A more detailed study of the magnetic properties of these particles and the effect of the high surface

to volume ratio has shown that the influence of the surface atoms on the anisotropy is increased by decreasing the size and

also that the magnetization enhancement increases with the applied magnetic field [56].


432

ORGANOMETALLIC NANOPARTICLES

(a)

(b)


(c)

5 nm


(10-10)

Figure 31.13

(a,b) TEM images of self-organized nanorods (scale bar: 10 nm). (c) HRM image and electron diffraction pattern of some

aligned rods.

The use of the binary ligand system long-chain amine/long-chain acid with the same compound has permitted the synthesis

of anisotropic Co nano-objects by the reduction of the above mentioned precursor in anisole at 150

C [12e, 57]. The role



of dihydrogen was examined and found to be crucial for the formation of nanorods, since in its absence the formation of

anisotropic nanorods is inhibited. The resulting objects varied from spherical NPs to long nanowires. The concentration in

carboxylic acid had a strong influence on the shape of the final objects. For low acid concentrations (0.3 equiv), the resulting

objects were spherical NPs, and for high concentrations long nanowires. Moreover, the length of the alkyl chain of the amine

was shown to be critical for the dimensions of the objects obtained. Nano-objects with an aspect ratio between 1.7 and

22 could be formed by simply varying the nature of the amine. The nanorods obtained were found to be single crystalline

with hcp structure and nonoxidized as revealed by high resolution electron microscopy (HREM) and WAXS studies. The

impact of the shape anisotropy on the magnetic properties was evidenced by SQUID measurement (superconducting quantum

interference device) of the hysteresis loops. The nanorods exhibited high coercive field (0.89 T) at 2 K. At the same time,

the magnetic moment per atom was found to be identical to that of bulk cobalt (1.71

μB). These nanorods self-assemble in

solution, forming superlattices in which the rods are arranged with their long axes next to each other [58]. The mechanism

invoked for their formation is an oriented attachment of the initially spherical NPs in a template formed by the organic

ligands. TEM micrographs of these superlattices and an HREM images are shown in Fig. 31.13.

Cobalt nanodisks have also been prepared by the same method and the same precursor in the presence of rhodamine

(RhB) and HDA. The bulkiness of RhB, which hinders its adsorption on the Co surface in the early growth stages as

well as the specific adsorption of HDA at the

{0001} facets, is responsible for this peculiar growth mode. An out-of-plane

magnetization was observed. These nano-objects self-assemble into 1D chains with high magnetic anisotropy [59].

The Co


II

coordination compound [Co

{N(SiMe

3

)



2

}

2



] is a precursor employed in more recent works. Being thermally more

stable than [Co(

η

3

-C



8

H

13



)(

η

4



-C

8

H



12

)], it has a longer “shelf-life”. Nevertheless, it is also readily reduced under H

2

, giving


rise to a great variety of cobalt nanocrystals. Similar reaction conditions give rise to qualitatively similar nanocrystals either

when using [Co(

η

3

-C



8

H

13



)(

η

4



-C

8

H



12

)] or [Co

{N(SiMe

3

)



2

}

2



]. Indeed, when an HDA/lauric acid (LA) mixture is used with

[Co


{N(SiMe

3

)



2

}

2



], organized superlattices of several layers of arrays of vertically aligned nanorods are obtained in solution.

The 3D arrays, the SEM (scanning electron microscopy) images of which are shown in Fig. 31.14, are larger than the ones

obtained by [Co(

η

3



-C

8

H



13

)(

η



4

-C

8



H

12

)]. The nanorods are assembled in several layers of arrays in which the nanorods are



arranged along their long axes [60].

Upon alignment under an external magnetic field in an organic matrix and after purification, these nanorods present

increased coercive field values at room temperature (0.6 T), as well as a remnant magnetization value of about 0.90 Ms [61].

These characteristics make them good candidates for applications as permanent magnets or components for high-density

magnetic recording devices.

31.5.2

Heterostructured Co Anisotropic Nanocrystals

An emerging direction in nanomaterials research concerns the synthesis of multifunctional nanocrystals [62]. “Seeded

growth” [63] of a second material on already preformed nanocrystals has given access to nano-objects associating discrete,

nonconcentric, and chemically different domains. Anisotropic nanocrystals due to their distinct reactivity along different

facets offer the possibility to position the second domain on a specific facet [64]. Using as seeds cobalt nanorods we have


CONCLUSION

433

CAN


SEI

10.0kV


X100.000

100nm


WD 6.0mm

WD 6.0mm


SEI

10.0kV


X150,000

100nm


WD 8.2mm

Figure 31.14

SEM images of superlattices of Co nanorods prepared by [Co

{N(SiMe

3

)



2

}

2



], in a mixture of HDA/LA.

(b)


(a)

Figure 31.15

(a) Au-tipped Co nanorods and (b) Au-decorated Co nanorods (scale bars 50 nm).

performed a secondary growth of gold toward Co–Au hybrid nano-objects. Control of the surface chemistry of the nanorods

permits the control of the gold nucleation in a topologically selective way and growth of either gold-tipped or decorated

nanorods, as shown in Fig. 31.15. The NPs on the lateral sides grow epitaxially, whereas the tips are strained because of

lattice mismatch between the two metals across the (111) and (0002) planes of Au and Co, respectively [65].

Alternatively, we have used CdSe nanorods on which we have grown Co by reducing [Co(

η

3

-C



8

H

13



)(

η

4



-C

8

H



12

)] or


[Co

{N(SiMe


3

)

2



}

2

] under conditions milder than usual in order to avoid any homogeneous nucleation of Co not associated



to CdSe [66]. Cobalt tips initially growing as spheres finally adopt an anisotropic growth mode as shown in Fig. 31.16.

Interestingly four growth modes have been identified by HREM, characterized by different angles between the long axes of

CdSe and Co. These angles are dictated by the need to minimize of the lattice mismatch between the two materials along the

various crystallographic directions. In heterostructured objects, the magnetic properties of Co are unaffected by the presence

of CdSe, whereas the luminescence properties of CdSe are affected compared to pure CdSe but not completely quenched.

31.6

CONCLUSION

To conclude, the techniques and concepts of organometallic chemistry can be fruitfully adopted to the synthesis of NPs

of various metals and of various size and shapes. Bimetallic nano-objects can also be easily produced, whether alloys,

core–shell systems or heterostructures. Many different stabilizers can be used, whose choice is guided by the similarity



434

ORGANOMETALLIC NANOPARTICLES

(a)

(b)


Figure 31.16

CdSe nanorods with (a) spherical Co tips and (b) Co nanorods at the tips (scale bar 100 nm).

between the behavior of ligands on the molecular complexes and on NPs. Thus, hydrides and CO coordinate on the surface

of these NPs, as well as olefins and methyl groups. The hydrides are always fluxional as determined by static D NMR

whereas CO appears fluxional only when the surface of the particles is free. Amines are also fluxional but do not stabilize

the particles unless they are added in excess. However, what is a drawback in molecular chemistry can be used here

as an advantage since amines allow the growth of NPs and may lead to shape-controlled nano-objects. Phosphines and

especially diphosphines are, as in molecular chemistry, the ligands of choice since their steric and electronic properties can

be modulated. N-heterocyclic carbene ligands are definitely extremely well adapted to ruthenium and, if we want to look at

complex ligands for, for example, asymmetric catalysis, we will have to consider them carefully.

Ligands are also involved in the growth of the NPs, and the choice of acid/amine mixtures allows the dissociation of a

nucleation reservoir form a growth reservoir and, therefore, with the help of a dihydrogen atmosphere, the growth of large

monodisperse nano-objects, iron nanocubes, and cobalt nanorods, the monodispersity of which results from thermodynamic

control [67].

The need in surface chemistry will be the development of complex systems accommodating a combination of ligands

some of which are specific for NPs to achieve selective catalytic transformations as well as cascade reactions. Similarly,

complex nano-objects combining different functionalities (magnetic, optic, catalytic, electric) will be required in fields as

different as energy conversion or nanomedicine. In all cases, the precise control of the nature and positioning of the different

species and ligands will be required, which means that all these different aspects are new challenges for organometallic

chemists who are likely to become more and more involved in the field.



ACKNOWLEDGMENTS

The authors wish to acknowledge the financial support from CNRS, from the European Community’s Seventh Framework

Programme (FP7/2007– 2013) under grant agreement no. 226716 and the ANR project Batmag.

REFERENCES

1. (a) Clusters and Colloids. From Theory to Applications; Schmid,G., Ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH: Weinheim, 1994. (b) Nanoparticles.



From Theory to Application; Schmid, G., Ed.; Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2004.

2. (a) Zhou, B.; Han, S.; Raja R.; Somorjai G. Nanotechnology in Catalysis; Editors In Kluwer Academic/Plenum Publisher, New

York, 2003; (b) Ulrich, H.; Uzi L., Eds., Nanocatalysis; Nanoscience and Technology; Springer: Heidelberg, 2007; (c) Roucoux,

A.; Philippot, K. In Handbook of Homogeneous Hydrogenations; de Vries, J. G.; Elsevier, C. J.; Eds., Wiley-VCH Verlag GmbH:

Weinheim, vol. 2007; p 217; (d) Nanoparticles and Catalysis; Astruc, D.; Ed., John Wiley & Sons, Inc.: New York, 2008.

3. (a) Somorjai, G. A.; Frei, H.; Park, J. Y. J. Am. Chem. Soc. 2009131 , 16589; (b) Somorjai, G. A.; Aliaga, C. Langmuir 201026 ,

16190; (c) Somorjai, G. A.; Park, J. Y. Surf. Sci. 2009603 , 1293; (d) Somorjai, G. A.; Li, Y. Top. Catal. 201053 , 311; (e) Zhang,

Y.; Grass, M. E.; Kuhn, J. N.; Tao, F.; Habas, S. E.; Huang, W.; Yang, P.; Somorjai, G. A. J. Am. Chem. Soc. 2008130 , 5868.

4. (a) Feng, L.; Hoang, D. T.; Tsung, C.; Huang, W.; Lo, S.; Wood, J. B.; Wang, H.; Tang, J.; Yang, P. Nano Res. 2011, 61; (b)

Tsung, C.; Kuhn, J. N.; Huang, W.; Aliaga, C.; Somorjai, G. A.; Yang, P. J. Am. Chem. Soc. 2009131 , 5816.



REFERENCES

435

5. See for example: (a) Vranka, R. G.; Dahl, L. F.; Chini, P.; Chatt, J. J. Am. Chem. Soc. 196991 , 1574; (b) Fumagalli, A.; Martinengo,

S.; Chini, P.; Albinati, A.; Bruckner, S.; Heaton, B. T. J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1978, 195; (c) Washecheck, D. M.; Wucherer, E.

J.; Dahl, L. F.; Ceriotti, A.; Longoni, G.; Manassero, M.; Sansoni, M.; Chini, P. J. Am. Chem. Soc. 1979101 , 6110.

6. Scott, S. L.; Basset, J. M. J. Mol. Catal. 199486 , 5.

7. See for example: (a) Schmid, G.; Boese, R.; Pfeil, R.; Bandermann, F.; Meyer, S.; Calis, G. H. M.; van der Velden, J. W. A. Chem.



Ber. 1981114 , 3634; (b) Wallenberg, L. R.; Bovin, J. O.; Schmid, G. Surf. Sci. 1985156 , 256; (c) Van Staveren, M. P. J.; Brom,

H. B.; De Jongh, L. J.; Schmid, G. Solid State Commun. 198660 , 319; (d) Benfield, R. E.; Creighton, J. A.; Eadon, D. G.; Schmid,

G. Z. Phys. D Atom Mol. Cl. 198912 , 533; (e) Schmid, G. Inorg. Synth. 1990, 214.

8. Bradley, J. S.; Hill, E. H.; Leonowicz, M. E.; Wirzke, H. J. Mol. Catal. 198741 , 59.

9. Chaudret, B.; Commenges, G.; Poilblanc, R. J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1982, 1388.

10. Grellier, M.; Vendier, L.; Chaudret, B.; Albinati, A.; Rizzato, S.; Mason, S.; Sabo-Etienne, S. J. Am. Chem. Soc. 2005127 , 17592.

11. Philippot K.; Chaudret, B. In Comprehensive Organometallic Chemistry III , Crabtree, R. H.; Mingos, M. P.; O’Hare, D.; Eds.,

Applications III: Functional Materials, Environmental and Biological Applications, Vol. 12 ; Elsevier: Oxford , 2007; p 71, Chapter

03.

12. See for example: (a) Mehdaoui, B.; Carrey, J.; Stadler, M.; Cornejo, A.; Nayral, C.; Delpech, F.; Chaudret, B.; Respaud, M. App.



Phys. Lett. 2012100 , 052403; (b) Barriere, C.; Piettre, K.; Latour, V.; Margeat, O.; Turrin, C.-O.; Chaudret, B.; Fau, P. J. Mater.

Chem. 201222 , 2279; (c) Meffre, A.; Lachaize, S.; Gatel, C.; Respaud, M.; Chaudret, B. J. Mater. Chem. 201121 , 13464; (d)

Zadoina, L.; Soulantica, K.; Ferrere, S.; Lonetti, B.; Respaud, M.; Mingotaud, A.-F.; Falqui, A.; Genovese, A.;Chaudret, B.; Mauzac,

M. J. Mater. Chem. 201121 , 6988; (e) Ciuculescu, D.; Dumestre, F.; Comesana-Hermo, M.; Chaudret, B.; Spasova, M.; Farle, M.;

Amiens, C. Chem. Mater. 200921 , 3987; (f) Margeat, O.; Ciuculescu, D.; Lecante, P.; Respaud, M.; Amiens, C.; Chaudret, B. Small



2007, 451.

13. See for example: (a) Coppel, Y.; Spataro, G.; Pages, C.; Chaudret, B.; Maisonnat, M.; Kahn, M. L. Chem. Eur. J. 201218 , 5384;

(b) Cros-Gagneux, A.; Delpech, F.; Nayral, C.; Cornejo, A.; Coppel, Y.; Chaudret, B. J. Am. Chem. Soc. 2010132 , 18147; (c) Kahn,

M. L.; Glaria, A.; Pages, C.; Monge, M.; Saint Macary, L.; Maisonnat, M.; Chaudret, B. J. Mater. Chem. 200919 , 4044.

14. (a) Pery, T.; Pelzer, K.; Buntkowsky, G.; Philippot, K.; Limbach, H.-H.; Chaudret B. Chemphyschem 2005, 605; (b) Schr¨oder,

F.; Esken, D.; Cokoja, M.; van den Berg, M. W. E.; Lebedev, O.; Van Tendeloo, G.; Walaszek, B.; Buntkowsky, G.; Limbach,

H.-H.; Chaudret, B.; Fischer, R. A. J. Am. Chem. Soc. 2008130 , 6119; (c) del Rosal, I.; Gutmann, T.; Maron, L.; Jolibois, F.;

Chaudret, B.; Walaszek, B. Limbach, H.-H.; Poteau, R.; Buntkowsky, G. Phys. Chem. Chem. Phys200911 , 5657; (d) Gutmann, T.;

Walaszek, B.; Yeping, X.; W¨achtler, M.; del Rosal, I.; Gr¨unberg, A.; Poteau, R.; Axet, R.; Lavigne, G.; Chaudret, B.; Limbach H.-H.;

Buntkowsky, G. J. Am. Chem. Soc. 2010132 , 11759.

15. Schmid G. in Nanoparticles From Theory to Applications, 2nd ed., Completely Revised and Updated Edition; G. Schmid, Ed.;

Wiley-VCH Verlag GmBH: Weinheim, 2010; p 217.

16. Pan, C.; Pelzer, K.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Dassenoy, F.; Lecante, P.; Casanove, M.-J. J. Am. Chem. Soc. 2001123 , 7584.

17. Novio, F.; Philippot, K.; Chaudret, B. Catal. Lett. 2010140 , 1.

18. Vidoni, O.; Philippot, K.; Amiens, C.; Chaudret, B.; Balmes, O.; Malm, J.-O.; Bovin, J.-O.; Senocq, F.; Casanove, M.-J. Angew.

Chem. Int. Ed. 199938 , 3736.

19. Pelzer, K.; Vidoni, O.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Colli`ere, V. Adv. Funct. Mater. 200313 , 118.

20. (a) Hallet, J. P.; Welton, T. Chem. Rev. 2011111 , 3508; (b) Yan, N.; Xiao, C.; Kou, Y. Coord. Chem. Rev. 2010254 , 1179; (c)

Parvulescu, V. I.; Hardacre, C. Chem. Rev. 2007107 , 2615.

21. (a) Padua, A. A. H.; Costa Gomes, M. F.; Canongia Lopes, J. N. A. Acc. Chem. Res. 200740 , 1087; (b) Pensado, A. S.; Padua, A.

A. H. Angew. Chem. Int. Ed. 201150 , 8683.

22. (a) Prechtl, M. H. G.; Scariot, M.; Scholten, J. D.; Machado, G.; Teixeira, S. R.; Dupont, J. Inorg. Chem. 200847 , 8995; (b) Prechtl,

M. H. G.; Scholten, J. D.; Dupont, J. J. Mol. Chem. 2009313 , 74; (c) Scholten, J. D.; Leal, B. C.; Dupont, J. ACS Catal. 2012,

184.

23. Gutel, T.; Garcia-Anton, J.; Pelzer, K.; Philippot, K.; Santini, C. C.; Chauvin, Y.; Chaudret, B.; Basset, J. M. J. Mater. Chem. 2007,



17 , 3290.

24. Gutel, T.; Santini, C. C.; Philippot, K.; Padua, A.; Pelzer, K.; Chaudret, B.; Chauvin, Y.; Basset, J.-M. J. Mat. Chem. 200919 , 3624.

25. Campbell P. S.; Santini, C. C.; Bouchu, D.; Fenet, B.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Padua, A. A. H.; Chauvin, Y. Phys. Chem. Chem.

Phys. 201012 , 4217.

26. Salas, G.; Santini, C. C.; Philippot, K.; Colliere, V.; Chaudret, B.; Fenet, B.; Fazzini, P. F. Dalton Trans. 201140 , 4660.

27. Salas, G.; Podgorsek, A.; Campbell, P. S.; Santini, C. C.; Padua, A. A. H.; Gomes, M. F. C.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Turmine,

B. Phys. Chem. Chem. Phys. 201113 , 13527.

28. Garc´ıa-Ant´on, J.; Axet, M. R.; Jansat, S.; Philippot, K.; Chaudret, B.; Pery, T.; Buntkowsky, G.; Limbach, H. H. Angew. Chem. Int.

Ed. 200847 , 2074.


Download 11.05 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   67   68   69   70   71   72   73   74   ...   115




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling