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Thermodynamic Profiles at the Solvated Inorganic–Organic Interface: The Case of Gold–Thiolate Monolayers

等温滴定量热法 化学 吸附 烷基 单层 放热反应 物理化学 量热法 放热过程 溶剂化 分子 无机化学 热力学 有机化学 物理 生物化学
作者
Venkataramanan Ravi,Jason Binz,Robert M. Rioux
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (9): 4442-4448 被引量:40
标识
DOI:10.1021/nl402315z
摘要

The thermodynamic adsorption profile at a solvated organic–inorganic interface is probed by following the binding and organization of carboxylic acid-terminated alkanethiols of varying chain lengths (C2, C3, and C6) to the surface of gold nanoparticles (NPs) (5.4 ± 0.7, 9.5 ± 0.6, and 19.4 ± 1.1 nm diameter) using isothermal titration calorimetry (ITC). We discuss the effect of alkyl chain length, temperature, and Au NP size on the energetics at an organic–inorganic interface. ITC allows for the quantification of the adsorption constant, enthalpy of adsorption, entropy of adsorption, and the binding stoichiometry in a single experiment. The thermodynamic parameters support a mechanism of stepwise adsorption of thiols to the surface of Au NPs and secondary ordering of the thiols at the organic–inorganic interface. The adsorption enthalpies are chain-length dependent; enthalpy becomes more exothermic as longer chains are confined, compensating for greater decreases in entropy with increasing chain length. We observe an apparent compensation effect: the negative ΔH is compensated by a negative ΔS as the thiols self-assemble on the Au NP surface. A comparison of the thermodynamic parameters indicates thiol-Au NP association is enthalpy-driven because of the large, exothermic enthalpies accompanied by an unfavorable entropic contribution associated with confinement of alkyl chains, reduced trans–gauche interconversion, and the apparent ordering of solvent molecules around the hydrophobic organic thiols (hydrophobic effect). Understanding the thermodynamics of adsorption at NP surfaces will provide critical insight into the role of ligands in directing size and shape during NP synthesis since thiols are a common ligand choice (i.e., Brust method). The ITC technique is applicable to a larger number of structure-directing ligands and solvent combinations and therefore should become an important tool for understanding reaction mechanisms in nanostructure synthesis.
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