سونوكيميائي الحد من جسيمات البلاديوم النانوية

يُعرف البلاديوم (Pd) جيدًا بخصائصه التحفيزية، كما يُستخدم على نطاق واسع في أبحاث المواد، وتصنيع الإلكترونيات، والطب، وتنقية الهيدروجين، وتطبيقات كيميائية متنوعة. باستخدام طريقة كيميائية صوتية، يمكن التحكم في حجم وشكل جزيئات البلاديوم عن طريق تعديل نسبة PVP/Pd. وهذا يتيح التخليق بالموجات فوق الصوتية إما لجزيئات نانوية دقيقة جدًا ومتجانسة الحجم، أو لتجمعات أكبر من البلاديوم، مما يسمح بتخصيص أبعاد الجزيئات لتحقيق الأداء التحفيزي الأمثل.

إنتاج بالموجات فوق الصوتية من جسيمات البلاديوم النانوية

يوفر اختزال جسيمات البلاديوم النانوية بالموجات فوق الصوتية طريقة سريعة وموفرة للمواد الكيميائية للحصول على جسيمات Pd(0) النانوية، وذلك من خلال استخدام التجويف الصوتي لتوليد ظروف محلية عالية الطاقة وجذور اختزالية في المحلول، مما يتيح اختزال أيونات البلاديوم دون الحاجة إلى المعالجة التقليدية بدرجات الحرارة العالية.
تتمثل إحدى المزايا الرئيسية في التحكم في العملية: فإن مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية وتركيز المُثبِّت، مثل نسبة PVP/Pd، يمكن أن تؤثر على ما إذا كان المنتج سيتشكل على شكل جسيمات نانوية مستديرة ومشتتة جيدًا بحجم حوالي 5 نانومتر، أم على شكل تجمعات أكبر بحجم حوالي 20 نانومتر، وهو أمر ذو أهمية صناعية لأن أداء البلاديوم في التحفيز الكيميائي يعتمد بشكل كبير على حجم الجسيمات وشكلها وتشتتها ومساحة سطحها. نظرًا لأن جسيمات البلاديوم النانوية ذات قيمة واسعة النطاق كمحفزات غير متجانسة، والمحفزات الكهربائية، والمواد الوظيفية، فإن الاختزال بالموجات فوق الصوتية يعد خيارًا جذابًا لإنتاج محفزات البلاديوم (Pd) المتناثرة بدقة في ظل ظروف الطور السائل المعتدلة نسبيًا، مع فوائد محتملة للتخليق الكيميائي، والتحفيز البيئي، وتقنيات خلايا الوقود، والعمليات الأخرى التي يكون فيها النشاط التحفيزي العالي والاستخدام الفعال للمعادن النبيلة أمرًا ذا أهمية اقتصادية.

أجرى نيمامشا وريهسبرينغر (2008) بحثًا حول الإنتاج الكيميائي الصوتي لجسيمات البلاديوم النانوية المتناثرة والمتكتلة. ولذلك، تم معالجة محلول Pd(NO₃)₂ بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز التجانس المختبري بالموجات فوق الصوتية UP100H في وجود الإيثيلين جلايكول (EG) والبولي فينيل بيروليدون (PVP).

إجراءات تحضير العينة

تم تحضير العينات على النحو التالي:
بالنسبة للعينات ، مخاليط 30 مل من EG و 5 · 10^-6تم تحضير مول من PVP عن طريق التحريك المغناطيسي لمدة 15 دقيقة. وبالنسبة للعينات المختلفة، أُضيفت كميات مختلفة من محلول Pd(NO₃)₂، وهي 1.5 مل و2 مل. وتم تحضير خليط العينات بنسبة 2·10^-3مول من Pd(NO₃)₂ في العينة (أ) و2.66·10^-3مول من Pd(NO₃)₂ في العينة (ب). تم معالجة كلا الخليطين بالموجات فوق الصوتية في قارورة سعة 20 مل باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المجس. وأُخذت العينات بعد فترات معالجة بالموجات فوق الصوتية مدتها 30 و60 و90 و120 و150 و180 دقيقة.

يظهر تحليل النتائج التجريبية ما يلي:

1. الاختزال الصوتي ل Pd (II) إلى Pd (0) يعتمد على وقت الصوتنة.

2. تؤدي النسبة المولية العالية PVP / Pd (II) إلى تكوين جزيئات البلاديوم أحادية التشتت ذات الشكل المستدير ويبلغ متوسط قطرها حوالي 5 نانومتر.

3. ومع ذلك ، فإن النسبة المولية المنخفضة PVP / Pd (II) تتضمن الحصول على جسيمات البلاديوم النانوية المجاميع مع توزيع كبير الحجم يتمركز عند 20 نانومتر.

الطريق الكيميائي لتقليل أيونات البلاديوم (II) PD(II) إلى ذرات البلاديوم بي دي(0) يمكن افتراض أن يكون ما يلي:

(1) الانحلال الحراري للماء: H₂O → •OH + •H
(2) تكوين الجذور: RH (عامل مختزل) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) اختزال الأيونات: Pd (II) + الجذور المختزلة (• H ، • R) → Pd (0) + R • CHO + H +
(4) تكوين الجسيمات: Nبي دي (0) → بي دي إن

النتيجة: اعتمادا على نسبة PVP / Pd (II) ، Pd المشتت أو المجمع_N تم الحصول عليها.

جسيمات Pd النانوية أحادية التشتت والمجمعة التي تم الحصول عليها عن طريق الاختزال بالموجات فوق الصوتية ل Pd (II)

الاختزال الصوتي الكيميائي للبلاديوم: تحتوي العينة (أ) (على اليسار) على كمية عالية من البولي فينيل البيروليدون (PVP)، بينما تحتوي العينة (ب) (على اليمين) على كمية منخفضة منه. مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز UP100H: 180 دقيقة. تُظهر العينة (أ) جسيمات نانوية من البلاديوم أحادية التوزيع، بينما تُظهر العينة (ب) جسيمات نانوية متكتلة من البلاديوم.
الصور والدراسة: ©Nemamcha وRehspringer، 2008

التحليل والنتائج

تؤكد تحليلات الامتصاص المرئي للأشعة فوق البنفسجية العلاقة بين الاختزال الكيميائي لأيونات البلاديوم الثنائي إلى ذرات البلاديوم (0) ووقت الاحتفاظ في مجال الموجات فوق الصوتية. يتقدم اختزال أيونات البلاديوم الثنائي إلى ذرات البلاديوم (0) ويمكن تحقيقه بالكامل مع زيادة وقت الصوتنة. تظهر الصور المجهرية للمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) ما يلي:

عند إضافة كمية كبيرة من مادة PVP، يؤدي الاختزال الصوتي الكيميائي لأيونات البلاديوم إلى تكوين جسيمات بلاديوم أحادية التشتت ذات شكل كروي ويبلغ متوسط قطرها حوالي 5 نانومتر.
ينطوي استخدام كمية صغيرة من مادة PVP على الحصول على تجمعات من جسيمات البلاديوم النانوية. وتكشف قياسات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) أن تجمعات جسيمات البلاديوم النانوية تتميز بتوزيع حجمي واسع يتخذ من 20 نانومتر نقطة مركزية.

يظهر هذا الفيديو من الخالط بالموجات فوق الصوتية UP100H تصميمه المدمج وتطبيقاته متعددة الاستخدامات ، مثل التشتت أو التجانس أو الخلط أو التفريغ أو الاستحلاب.

التصميم والتصنيع والاستشارات – جودة صنع في ألمانيا

Hielscher الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لأعلى معايير الجودة والتصميم. المتانة والتشغيل السهل تسمح بالتكامل السلس للموجات فوق الصوتية لدينا في المنشآت الصناعية. يتم التعامل بسهولة مع الظروف القاسية والبيئات الصعبة بواسطة الموجات فوق الصوتية Hielscher.

Hielscher Ultrasonics هي شركة حاصلة على شهادة الأيزو وتركز بشكل خاص على الموجات فوق الصوتية عالية الأداء التي تتميز بأحدث التقنيات وسهولة الاستخدام. بطبيعة الحال، الموجات فوق الصوتية Hielscher هي CE المتوافقة وتلبية متطلبات UL، وكالة الفضاء الكندية وبنفايات.

الأدب / المراجع

Nemamcha, A.; Rehspringer, J. L. (2008): Morphology of dispersed and aggregated PVV-Pd nanoparticles prepared by ultrasonic irradiation of Pd(NO₃)₂ solution in ethylene glycol. Rev. Adv. Mater. Sci. 18;2008. 685-688.
Prekob, Á., Muránszky, G., Kocserha, I. et al. (2020): Sonochemical Deposition of Palladium Nanoparticles Onto the Surface of N-Doped Carbon Nanotubes: A Simplified One-Step Catalyst Production Method. Catalysis Letters 150, 2020. 505–513.
Haitao Zheng, Mphoma S. Matseke, Tshimangadzo S. Munonde (2019): The unique Pd@Pt/C core-shell nanoparticles as methanol-tolerant catalysts using sonochemical synthesis. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 57, 2019. 166-171.

مواضيع ذات صلة

حقائق تستحق المعرفة

ما هو البلاديوم؟

البلاديوم معدن ثمين نادر ذو لون أبيض فضي، ورمزه الكيميائي هو Pd، ورقمه الذري 46. وهو ينتمي إلى معادن مجموعة البلاتين، ويُقدَّر لقيمته بسبب استقراره الكيميائي، وقدرته على توصيل الكهرباء، وامتصاصه للهيدروجين، ودوره كمحفز ممتاز. ويُعد البلاديوم المجزأ بدقة فعالاً بشكل خاص في تفاعلات الهدرجة وإزالة الهيدروجين، كما أن البلاديوم المسخن يسمح للهيدروجين بالانتشار من خلاله، مما يجعله مفيداً في فصل الهيدروجين وتنقيته.

ما هي استخدامات جزيئات البالاديوم النانوية؟

تُستخدم جسيمات البلاديوم النانوية بشكل أساسي كمحفزات ذات مساحة سطح كبيرة. ونظرًا لأن الجسيمات النانوية توفر مساحة سطح نشطة أكبر بكثير مقارنة بالبلاديوم السائب، فإنها قادرة على تحسين كفاءة المحفز وتقليل كمية المعادن النبيلة باهظة الثمن المطلوبة. وتشمل التطبيقات النموذجية التخليق الكيميائي، وتفاعلات الهدرجة، وتفاعلات اقتران الكربون بالكربون، والتحفيز الكهربائي، وأبحاث خلايا الوقود، واستشعار الهيدروجين وتخزينه، والتحفيز البيئي، وبعض مجالات الأبحاث الطبية الحيوية مثل الأنظمة المضادة للميكروبات، والأنظمة الضوئية الحرارية، والأنظمة المضادة للسرطان. ويعتمد السلوك التحفيزي للبلاديوم بشكل كبير على حجم الجسيمات وشكلها وتشتتها.
كما تُستخدم جسيمات البالاديوم النانوية في إضفاء خصائص على جسيمات أخرى من أجل تحقيق وظائف تحفيزية. اقرأ المزيد عن الطريقة التي تعتمد على الموجات فوق الصوتية لتخليق Pd/N-BCNT كمحفز في عملية فيشر-تروبش!

هل البلاديوم مادة سامة؟

يُعتبر البلاديوم المعدني العنصري عمومًا ذا سمية منخفضة ولا يلعب أي دور بيولوجي معروف، ولكن يجب التعامل بحذر مع مركبات البلاديوم وأملاحه وغباره وأشكاله النانوية. قد يتسبب التعرض المهني أو المختبري في حدوث تهيج أو حساسية اعتمادًا على المركب وطريقة التعرض، وقد تؤدي محاليل كلوريد البلاديوم، على سبيل المثال، إلى تهيج الأغشية المخاطية. بالنسبة للتعامل الصناعي، فإن الإجابة العملية هي: يعتبر البلاديوم المعدني السائب منخفض المخاطر نسبيًا، ولكن يجب التعامل مع مساحيق البلاديوم وأملاح البلاديوم القابلة للذوبان وجسيمات البلاديوم النانوية على أنها مواد قد تكون خطرة، مع اتخاذ تدابير للسيطرة على الغبار والتهوية وارتداء القفازات ووسائل حماية العين والتعامل السليم مع النفايات.

الاختزال الكيميائي لجسيمات البلاديوم النانوية