Сонохимична редукция на паладиеви наночастици

Паладият (Pd) е добре известен със своите каталитични свойства и се използва широко и в изследванията на материали, производството на електроника, медицината, пречистването на водород и различни химични приложения. При използване на сонохимичен метод размерът и морфологията на паладиевите частици могат да се контролират чрез регулиране на съотношението PVP/Pd. Това позволява ултразвуков синтез както на много фини, монодисперсни наночастици, така и на по-големи паладиеви агрегати, като размерите на частиците могат да се адаптират за оптимална каталитична ефективност.

Ултразвуково производство на паладиеви наночастици

Ултразвуковата редукция за получаване на паладиеви наночастици предлага бърз метод с ефективно използване на реагентите за получаване на наночастици Pd(0), като използва акустична кавитация за създаване на локализирани високоенергийни условия и редуциращи радикали в разтвора, което позволява редукция на паладиевите йони без конвенционална високотемпературна обработка.
Основно предимство е контролът на процеса: времето на ултразвукова обработка и концентрацията на стабилизатора, например съотношението PVP/Pd, могат да повлияят на това дали продуктът се образува като добре диспергирани, закръглени наночастици с размер около 5 nm, или като по-големи агрегати с размер около 20 nm. Това е от значение за промишлеността, тъй като ефективността на паладия в катализата зависи силно от размера, морфологията, дисперсията и площта на повърхността на частиците. Тъй като паладиевите наночастици имат широко приложение като хетерогенни катализатори, електрокатализатори и функционални материали, ултразвуковата редукция е привлекателна за производството на фино диспергирани Pd катализатори при сравнително меки условия в течна фаза, с потенциални ползи за химичния синтез, екологичната катализа, технологиите за горивни клетки и други процеси, при които високата каталитична активност и ефективното използване на благородните метали са икономически важни.

Ултразвуков апарат UIP2000hdT за мощна ултразвукова обработка и оптимален контрол на процеса

Промишлена обработка на наночастици с ултразвуковия апарат UIP2000hdT

Nemamcha и Rehspringer (2008) са изследвали сонохимичното производство на диспергирани и агрегирани паладиеви наночастици. За тази цел разтвор на Pd(NO₃)₂ е обработен с лабораторния ултразвуков хомогенизатор UP100H в присъствието на етиленгликол (EG) и поливинилпиролидон (PVP).

Процедура за подготовка на пробите

Пробите са подготвени по следния начин:
За пробите са приготвени смеси от 30mL EG и 5·10^-6mol PVP чрез разбъркване с магнитна бъркалка в продължение на 15 min. Към различните проби са добавени различни количества разтвор на Pd(NO₃)₂ – 1,5mL и 2mL. Смесите за пробите са приготвени със съотношение 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ в проба (a) и 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ в проба (b). И двете смеси са обработени с ултразвук във флакон с обем 20mL с помощта на ултразвуков апарат със сонда. Проби са взети след продължителност на ултразвуковата обработка от 30, 60, 90, 120, 150 и 180 min.

Анализът на експерименталните резултати показва, че:

1. Сонохимичната редукция на Pd(II) до Pd(0) зависи от времето на ултразвукова обработка.

2. Високото моларно съотношение PVP/Pd(II) води до образуването на монодисперсни паладиеви частици със закръглена форма и среден диаметър около 5nm.

3. Ниското моларно съотношение PVP/Pd(II) обаче води до получаването на агрегати от паладиеви наночастици с широко разпределение на размерите, центрирано при 20nm.

Може да се приеме, че сонохимичният път за редукция на йони на паладий (II) Pd(II) до паладиеви атоми Pd(0) е следният:

(1) Пиролиза на водата: H₂O → •OH+•H
(2) Образуване на радикали: RH (Редуциращ агент) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Редукция на йони: Pd(II) + редуциращи радикали (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Образуване на частици: nPd(0) → Pdn

Резултат: В зависимост от съотношението PVP/Pd(II), диспергирани или агрегирани Pd_n са получени.

Монодисперсни и агрегирани Pd наночастици, получени чрез ултразвукова редукция на Pd(II)

Сонохимична редукция на паладий: проба a (вляво) съдържа голямо количество PVP, а проба b (вдясно) – малко количество PVP. Време на ултразвукова обработка с UP100H: 180 min. Проба a показва монодисперсни Pd наночастици, а проба b – агрегирани Pd наночастици.
Изображения и изследване: ©Nemamcha и Rehspringer, 2008

Анализ и резултати

Анализите на абсорбцията в ултравиолетовата и видимата област потвърждават връзката между сонохимичната редукция на йони на паладий(II) до атоми на паладий(0) и времето на престой в ултразвуковото поле. Редукцията на йони на паладий(II) до атоми на паладий(0) напредва и може да се осъществи напълно с увеличаване на времето на ултразвукова обработка. Микрографиите от трансмисионната електронна микроскопия (TEM) показват, че:

При добавяне на голямо количество PVP сонохимичната редукция на паладиевите йони води до образуването на монодисперсни паладиеви частици със сферична форма и среден диаметър приблизително 5nm.
Използването на малко количество PVP води до получаването на агрегати от паладиеви наночастици. Измерванията чрез динамично разсейване на светлината (DLS) показват, че агрегатите от паладиеви наночастици имат широко разпределение на размерите, центрирано при 20nm.

Частици с наноразмери са получени от Nemamcha и съавт. (2008) чрез сонохимична редукция на Pd(II) до Pd(0)

Лабораторният ултразвуков апарат UP100H е използван за получаването на паладиеви наночастици.

Сонохимия: ултразвукова редукция на паладий

Паладиеви (Pd) наночастици могат да се получат чрез ултразвукова обработка

Поискайте повече информация

Моля, използвайте формуляра по-долу, за да поискате допълнителна информация за ултразвуковите апарати за синтез на наночастици, указанията за приложение и цените. С удоволствие ще обсъдим с Вас Вашия процес на обработка на наночастици и ще Ви предложим най-добрия ултразвуков апарат, който удовлетворява Вашите потребности!

Имейл адрес (задължително)

Телефонен номер

Име

Интерес

Това видео представя компактния дизайн на ултразвуковия хомогенизатор UP100H и разнообразните му приложения, като диспергиране, хомогенизиране, смесване, дегазиране и емулгиране.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Литература/Източници

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.

Свързани теми

Полезни факти

Какво представлява паладият?

Паладият е рядък, сребристобял благороден метал с химичен символ Pd и атомен номер 46. Той принадлежи към металите от платиновата група и е ценен, защото е химически стабилен, провежда електричество, поглъща водород и действа като отличен катализатор. Фино раздробеният паладий е особено ефективен при реакции на хидрогениране и дехидрогениране, а нагретият паладий може да пропуска водород чрез дифузия през него, което го прави полезен за отделяне и пречистване на водород.

За какво се използват паладиевите наночастици?

Паладиевите наночастици се използват главно като катализатори с голяма площ на повърхността. Тъй като наночастиците осигуряват много по-голяма достъпна активна повърхност от паладия в масивна форма, те могат да подобрят ефективността на катализатора и да намалят необходимото количество скъп благороден метал. Типичните приложения включват химичен синтез, реакции на хидрогениране, реакции на свързване въглерод–въглерод, електрокатализа, изследвания на горивни клетки, откриване и съхранение на водород, екологична катализа и някои области на биомедицинските изследвания, като антимикробни, фототермични и противоракови системи. Каталитичното поведение на паладия зависи силно от размера, морфологията и дисперсията на частиците.
Паладиевите наночастици се използват също за допиране на други частици с цел постигане на каталитични функции. Прочетете повече за ултразвуковия метод за синтез на Pd/N-BCNT като катализатор за процеса на Fischer-Tropsch!

Токсичен ли е паладият?

Елементарният метален паладий обикновено се смята за слабо токсичен и няма известна биологична роля, но с паладиевите съединения, соли, прахове и наномащабни форми трябва да се работи внимателно. Професионалната или лабораторната експозиция може да причини дразнене или сенсибилизация в зависимост от съединението и пътя на експозиция, а разтворите на паладиев хлорид например могат да дразнят лигавиците. При промишлена работа практическият отговор е: металният паладий в масивна форма е с относително нисък риск, но паладиевите прахове, разтворимите паладиеви соли и паладиевите наночастици трябва да се третират като потенциално опасни материали, с контрол на праха, вентилация, ръкавици, защита на очите и правилно управление на отпадъците.