Synthesis, self assembly and characterization of gold and palladium heterodimers for reversible indirect gas sensing

The aim of the present work is to develop a reversible indirect nanometric hydrogen gas sensing device using heterodimers produced by self-assembly of gold nanospheres and palladium nanocubes from a colloidal solution. Irradiated metallic nanoparticles surrounded by a dielectric medium show a specific band of absorption due to localised surface plasmon resonance (LSPR). This is the probing phenomena since a small variation in dielectric function of adsorbing material or in the medium can shift the plasmonic peak in the visible range. Armand Paul Alivisatos research group recently develops a nanoantenna for indirect gas sensing of hydrogen. Inspired to this device heterodimers where synthesized composed by positively charged gold nanosphere that show LSRP peak in the visible and a negatively charged palladium nanocube that adsorbs hydrogen modifying the LSRP peak on gold at whom is attached. Palladium can make an hydride PdHx with x up to 0.9 and the synthesis proposed in this work provide finely dispersed cube of different sizes and shapes with selected exposed crystallographic facet. Electrostatic self-assebly of colloidal particles can be tuned to give a heterodimer yield up to 30%. Is also proposed a theoretical simulation of heterodimers with discet-dipole approximation using the open-source software DDSCAT.

L'obiettivo del lavoro svolto è stato quello di creare un nano etero dimero di palladio ed oro per il gas-sensing indiretto di idrogeno reversibile mediante localized surface plamonic resonance (LSRP). L'etero dimero è composto da una nano sfera di oro, sulla quale avviene la risonanza plasmonica usata come segnale di output e da un cubo di palladio sul quale avviene l'assorbimento di idrogeno: il conseguente cambiamento di dimensioni e di funzione dielettrice influenza la forma e l'entità del segnale sulla nano sfera d'oro. Il palladio può creare un idruro di palladio (PdHx con x fino a 0,9) in modo completamente reversibile, permettendo lo stoccaggio di idrogeno a temperatura e pressione ambiente. Possibili campi di applicazione posso spaziare da serbatoi per automobili o celle a combustibile (FC), componenti ad alta attività catalitica fino a sensori biocompatibili. Questo lavoro si è ispirato ad un recente articolo pubblicato da Armand Paul Alivisatos che ha sviluppato una nano antenna d'oro e palladio anch'essa per gas-sensing indiretto di idrogeno. Il progetto qui presentato parte dalla sintesi chimica dei nano cubi di palladio, ottenendo una soluzione colloidale di nanoparticelle cariche positivamente. Parametri della sintesi come temperatura, quantità e tempo di aggiunta del riducente sono ingegnerizzati per ottenere una distribuzione con variazione standard più ridotta possibile. I cubi posso essere modificati in dimensioni e forme, ovvero è possibile determinare la famiglia di piani cristallografici in superficie, grazie ad una seconda sintesi seed-mediated-growth. Le nano sfere di oro sono funzionalizzata al fine di creare una soluzione colloidale di nanoparticelle cariche negativamente. Le due soluzioni colloidali vengono unite per indurre un processo di self-assembly poiché sono di cariche opposte; questo processo è ingegnerizzato per aumentare la resa di etero dimeri fino al 30 %. Gli etero dimeri così prodotti vengono testati con successo all'assorbimento d'idrogeno mediante spettri di scattering a singola particella con microscopio dark-field verificando così il principio di funzionamento. Gli stessi etero dimeri vengono simulati da un programma di open source basato sull'approssimazione di dipoli discreti (DDA) in buon accordo con i dati sperimentali.