Jean-Yves Piquemal, Christophe Gatel, Guillaume Viau, Martin Hÿtch, Raj Kumar Ramamoorthy, Arnaud Viola, Bilel Grindi, Jennifer Peron, Raul Arenal, L. Sicard, Marion Giraud, Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO), Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Interfaces, Traitements, Organisation et Dynamique des Systèmes (ITODYS (UMR_7086)), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM ICMMM), Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Zaragoza - Universidad de Zaragoza [Zaragoza], Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC), Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Charles Gerhardt Montpellier - Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux de Montpellier (ICGM), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Agence Nationale de la Recherche (France), Ministerio de Economía y Competitividad (España), European Commission, Gatel, Christophe, Arenal, Raul, Giraud, Marion, Viau, Guillaume, Institut de Recherche sur les Systèmes Atomiques et Moléculaires Complexes (IRSAMC), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Chimie de Toulouse (ICT-FR 2599), Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Université Montpellier 1 (UM1)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Institut de Chimie du CNRS (INC), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Institut National des Sciences Appliquées - Toulouse (INSA Toulouse), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Gatel, Christophe [0000-0001-5549-7008], Arenal, Raul [0000-0002-2071-9093], Giraud, Marion [0000-0003-1810-7626], and Viau, Guillaume [0000-0001-7062-4183]
The one-step seed-mediated synthesis is widely used for the preparation of ferromagnetic metal nanoparticles (NPs) since it offers a good control of particle morphology. Nevertheless, this approach suffers from a lack of mechanistic studies because of the difficulties of following in real time the heterogeneous nucleation and predicting structure effects with seeds that are generated in situ. Here, we propose a complete scheme of the heteronucleation process involved in one-pot seed-mediated syntheses of cobalt nanoparticles in liquid polyols, relying on geometrical phase analysis (GPA) of high-resolution high-angle annular dark field (HAADF)-STEM images and in situ measurements of the molecular hydrogen evolution. Cobalt particles of different shapes (rods, platelets, or hourglass-like particles) were grown by reducing cobalt carboxylate in liquid polyols in the presence of iridium or ruthenium chloride as the nucleating agent. A reaction scheme was established by monitoring the H2 evolution resulting from the decomposition of metal hydrides, formed in situ by β-elimination of metal alkoxides, and from the polyol dehydrogenation, catalytically activated by the metal particles. This is a very good probe for both the noble metal nucleation and the heterogeneous nucleation of cobalt, showing a good separation of these two steps. Ir and Ru seeds with a size in the range 1–2 nm were found exactly in the center of the cobalt particles, whatever the cobalt particle shape, and high-resolution images revealed an epitaxial growth of the hcp Co on fcc Ir or hcp Ru seeds. The microstructure analysis around the seeds made evident two different ways of relaxing the lattice mismatch between the seeds and the cobalt, with the presence of dislocations around the Ir seeds and compression zones of the cobalt lattice near the Ru seeds. The relationship between the nature of the nucleating agent, the reaction steps, and the microstructure is discussed., This work was funded by the French National Research Agency, ANR, in the framework of the TANOPOL project (ANR-15-CE07-0011-01). Angélique Gillet is warmly thanked for the nanoparticle synthesis, and Lucien Datas and Teresa Hungria (Plateforme Castaing, Toulouse) are thanked for HAADF-STEM images. We gratefully acknowledge the International Associated Laboratory (LIA)-M2ZART for financial support. High-resolution HAADF-STEM images were performed at the Laboratorio de Microscopias Avanzadas, Instituto de Nanociencia de Aragon, Universidad de Zaragoza, Spain. R.A. gratefully acknowledges the support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO) through Project MAT2016-79776-P (AEF/FEDER. UE) and from the European Union H2020 program “ESTEEM3” (823717).