Synthesis and Characterisation of Gold­Silver Nanoparticles. by Awad Albalwi 

 

Aim: To prepare gold and gold/silver alloy nanoparticles and to see how the properties of 

nanoparticles can vary from other chemical compounds by comparing the colour of 

gold nanoparticle complexes in solution. Also to learn how changing the composition 

of nanoparticles can affect their spectoral properties.  

 

Method: Refer to practical notes. 

Preparation of Gold Nanoparticles 

1ml of gold solution was pipetted into a 10ml volumetric flask, made up with water 

and 2.5ml was transferred into a conical flask with 90ml of added water. This was 

brought to the boil and 5ml of sodium citrate 1% w/w. The solutions were left to boil 

for 30 minutes, then cooled to room temperature and transferred into a 100ml 

volumetric flask and made up to the mark with distilled water. 

 

Preparation of gold/silver nanoparticles and gold nanoparticles. 

Basically the same as above, except for exchanging some gold with silver. Using the 

0.0025 M stock gold solution and a 0.0025 M silver nitrate solution, adding the 

amounts as described in the laboratory manual. Colour changes were observed and 

recorded. 

 

Characterisation of Nanoparticles 

UV­vis spectra of gold, silver and gold­silver nanoparticles 

A UV­vis absorbance spectra was taken for each of the six solutions, measured 

between 300 and 700nm using a 1 cm cuvette and water as a reference. 

Particle size analysis of gold and gold/silver nanoparticles 

Due to time constraints and the length of time required to do the particle size analysis 

via the Malvern Zetasizer, the samples were given to the demonstrator who did the 

measurement of particle size for us and sent the results via email. 

Application of gold nanoparticles as sensors 

~5ml of gold nanoparticle solution was placed into 3 test tubes. 1 M NaCl was added 

to the first drop wise and observations were noted. It was then repeated using a 

saturated NaCl solution. The third test tube was used as a control, using water for a 

comparison. 

 

Results: Colour observations: 

Solution: gold: silver ratio  Colour changes  Final colour 

100% gold  Blue to purple, pink and red  Red 

4:1  Pink, salmon, blood orange  Blood orange 

7:3  Pink, salmon, light orange, 

bright orange 

Orange 

3:2  Pink, yellow, goldy orange  Goldy orange 

3:7  Wheat to cloudy 

yellowy­grey 

Yellow/grey 

100% silver  Light yellow then cloudy 

yellow 

Cloudy yellow 

 

 

Gold Nanoparticles as a sensor observations: 

­When 1M NaCl was added to the filtered nano particle solution it required many 

drops, close to the volume of 5ml, the same volume as the nanoparticle solution for it 

to go close to clear. It was easily visible to see its colour changes from the initial red 

solution then a lighter pink, transparent purple and finally a very faint almost clear 

transparent blue. 

­When repeated with a saturated NaCl solution the gold nanoparticle solution went 

through its various colour changes to almost clear with only a few drops, much less 

than required with the 1M NaCl solution. 

Visible spectra 

x(Au)  Λ max (nm)  Molar extinction coefficient 

(M­1 cm­1) 

1  522.5  3833.9  

0.8  500  4669.9 

0.7  486.5  4916.0 

0.6  478  5246.1 

0.3  450  1564.5 

0  420  8238.24 

 

Particle size analysis 

x(Au)  Av. Particle size 

1  46.38 

0.8  89.76 

0.7  62.63 

0.6  67.08 

0.3  122 

0  58.8 

 

Basically it can be said that these results do not reflect literature or an ideal 

distribution, looking at another group member Nicole’s results, it appears that the 

average particle size was decreasing. The individual results shown don’t show any 

systematic conformity. 

Discussion It appeared that with the addition of more silver solution or nanoparticles, the colour 

of the gold/silver alloy solutions were getting lighter, ranging in a series of colours 

that ranged from a red of the gold complex to a cloudy yellow of the silver 

nanoparticle solution. As described the complexes also appeared cloudier with 

varying amounts of silver added. This indicates that the size of the nanoparticles in 

the complexes were getting larger and with a large enough concentration of silver 

appeared to aggregate. 

       In the λmax verses mole fraction of gold graphit estimates that the maximum absorption of nanoparticles of pure silver would be 420 nm, this does not cohere with 

literature as the theoretical value lies around 400nm, 420nm is much too high. 

Whereas the value for gold obtained was 522.5nm which was almost the exact 

theoretical value of ~520nm, generally around 520­525nm. 

 

         Physicists predicted that nanoparticles in diameter 1­10 nm would display 

electronic structures, reflecting the nanoparticle band structure (Daniel M, 2003). The advantage of gold colloids is that they can be prepared with a much narrower particle 

size distribution than silver colloids. Colloid gold has an absorbance of approximately 

520nm which is caused by the oscillation of the electron gas (Mulvaney P et al, 1992). 

Absorbance in this wavelength region is also influenced by inter band transitions. 

1. Aggregation of gold nanoparticles to form larger particles is prevented by the 

addition of sodium citrate when the solutions started to boil. It acts as a reducing 

agent, which is then absorbed onto the surface of each gold nanoparticle. This 

introduces a surface charge that repels the particles from one another and prevents 

them from aggregation called electrostatic repulsion. As this occurs the solution 

turns to a red colour, indicating maximum absorption of light at ~520nm, the 

green region (McFarland et al, 2004). 

2. As seen in the maximum wavelength of absorption verses the mole fraction of 

gold data, the curve is blue shifted with the increasing amount of silver added i.e. 

there is a linear relationship towards a blue shift as the mole fraction of gold is 

decreased. The results show that the predicted wavelength of silver is 420 nm. 

This is quite higher than the theoretical maximum absorption of ~400nm. This is 

evidential that pure silver nanoparticles cannot be made from this method of 

conversion from gold nanoparticles through a series of alloy stages.  

           Silver and gold particles are miscible in all proportions due to there almost 

identical lattice constants of 0.408 and 0.409nm (Link et al, 1999). There lattice 

do not mix with the addition of silver to gold nanoparticles. The unit cell size of 

Ag­Au changes theoretically by less than 1% over an entire range between 100% 

Au to 100% Ag. Therefore electron diffraction pattern obtained from individual 

colloid particles does not allow one to differentiate between the two possibilities 

(Mulvaney P et al, 1993) 

        This experiment therefore also shows that silver nanoparticles in this size 

range could not be obtained via the reduction with sodium citrate, the cloudiness 

of the solution indicates larger particles. Although it is possible to make silver 

nanoparticles, a method is described by Mulvaney P. et al, 1993, Electrochemistry 

of Multilayer colloids. Silver sols can be prepared by y­irradiation of deaerated 

solutions containing 50 or 100 µM AgCl04, 0.1 M 2­propanol, 0.01 M acetone, 

and 0.1 mM sodium polyphosphate, (NaPOs) as stabilizer (Mulvaney P et al, 

1993). This produces nanoparticles with maximum absorption around 380nm, 

quite close to its theoretical value. 

3. From the results shown we can predict that we have the foundation of bimetallic 

gold­silver alloys and not just a mixture of gold and silver because the band 

structure of the varying ratio mixtures had different UV band structures than the 

pure gold and silver nanoparticles. Evidence is confirmed with the stacked uv­vis 

spectra and also the zetasizer analysis, as the stacking pattern does not remain 

constant among the varying alloys in either of the data sets, evidently in the 

gold/silver 3:7 complex. This suggests that individual particles of gold or silver 

are absent in the alloy nanoparticles (Mulvaney et al, 1993).  

             The alloy formation can be concluded by the UV­vis absorption spectrum, 

which shows only one absorbance bands. If there were to be a mixture of gold and 

silver nanoparticles two bands would have been visible (Link et al, 1999). 

4. The Malvern Zetasizer measures the average size of the particles in the solution 

via dynamic light scattering (Ralph S, 2008). Dynamic Light Scattering 

measures Brownian motion and relates this to the size of the particles. Brownian motion principle suggests that the movement of

particles is due to the random collision with the molecules of the

liquid that surrounds the particle (Xu R, 2002).  The size of the particles are measured by illuminating the particles with a laser over a number of 

intervals over ~30 minutes and analyses the fluctuation intensities in the scattered 

light over the time, which is related to and used to calculate particle size. 

               A Zetasizer has six main components, a laser, cell, detector, attenuator, a correlator and a computer. A laser is used to provide a light source to

illuminate the sample particles within a cell, some light is scattered

by the particles within the sample. A detector is used to measure

the intensity of the scattered light, theoretically as light bouncing of

the particles should scatter in all directions, therefore the detector

could be placed anywhere around the cell but is typically place at

either 173° or 90°.. The intensity of scattered light is measured

from the detector, although it must be within a specific range,

therefore the zetasizer is also fitted with an attenuator which

reduces the intensity of light emitted from the laser and also

reduces the scattering. Finally the scattering intensity signal is passed on to a 

correlator, which compares the scattering intensity at successive time intervals to 

determine the rate the intensity is varying (Xu R, 2002). The computer then analyses data and determines the size of the particles in solution. 

5. When 1M NaCl, an electrolyte was added to the 100% filtered gold nanoparticle 

solution, colour changes were observed varying from the initial red solution, a 

lighter pink, transparent purple and finally a very faint almost clear transparent 

blue. This occurred as the high concentration of ions has a screening effect that 

screens repulsive electrostatic forces between the nanoparticles (McFarland et al, 

2004). This eliminates the repulsive forces between the gold nanoparticles and 

they begin to aggregate. Identified by the colour changes observed upon addition 

of 1M NaCl it forms and almost clear solution similar to its starting point. 

           It should also be noted that in another experiment with a saturated NaCl 

solution that the gold nanoparticles went to an almost clear solution with much 

fewer drops of the saturated solution. This occurred because the saturated solution 

was a much stronger electrolyte with a higher concentration of free ions in 

solution and was hence more affective screening the repulsive forces. The positive

charges of the electrolyte bind to the negative charges on the surfaces of the

nanoparticles created by the sodium citrate solution (McFarland et al, 2004). 

   Conclusion:   In this experiment gold and gold/silver alloy nanoparticles were prepared and the

properties of varying chemical compounds and nanoparticles were observed by

comparing the colour changes of the gold and gold-silver nanoparticle complexes in

solution. A UV-vis specta analysis was also conducted to determine and identify the

different spectoral properties of the various nanoparticles. A particle size analysis was

also conducted with the used of an instrument called zetasizer.

References: ● Daniel MC and Astruc D, 2004, Gold Nanoparticles: Assembly, 

Supramolecular Chemistry, Quantum­Size­Related Properties, and 

Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology, Chem. Rev. 2004, 104, 293­346 

● Link S, Wang ZL and El­Sayad MA, 1999, Alloy Formation of Gold­Silver Nanoparticles and the Dependence of the Plasmon Absorption on Their 

Composition, Journal of Physical Chemistry, vol 103, 3529­3533 ● McFarland AD et al, 2004, Colour my Nanoworld, Journal of Chemical 

Education, vol 81 

● Mulvaney P, Giersig M and Henglein A, 1992, Surface Chemistry of Colloidal Gold: Deposition of Lead and Accompanying Optical Effects, Journal of Physical Chemistry, vol 96, 10419­10424 

● Mulvaney P, Giersig M and Henglein A, 1993, Electrochemistry of Multilayer Colloids: Preparation and Absorption Spectrum of Gold­Coated Silver 

Particles, Journal of Physical Chemistry, vol 97, 7061­7064 ● Ralph S, 2008, experiment 6 practical notes 

● Xu R, 2004, Particle Characterisation: Light Scattering Methods, Chapter 14