Sonohemijska redukcija nanočestica paladijuma
Paladijum (Pd) je poznat po svojim katalitičkim svojstvima i također se široko koristi u istraživanju materijala, proizvodnji elektronike, medicini, pročišćavanju vodonika i raznim hemijskim primjenama. Korištenjem sonokemijskog pristupa, veličina i morfologija čestica paladijuma mogu se kontrolisati podešavanjem omjera PVP/Pd. Ovo omogućava ultrazvučnu sintezu vrlo finih, monodisperznih nanočestica ili većih paladijskih agregata, omogućavajući prilagođavanje dimenzija čestica za optimalne katalitičke performanse.
Ultrazvučna proizvodnja nanočestica paladijuma
Ultrasonic palladium nanoparticle reduction offers a fast, reagent-efficient route to Pd(0) nanoparticles by using acoustic cavitation to generate localized high-energy conditions and reducing radicals in solution, enabling palladium ions to be reduced without conventional high-temperature processing.
A key advantage is process control: sonication time and stabilizer concentration, such as the PVP/Pd ratio, can influence whether the product forms as well-dispersed, rounded nanoparticles around 5 nm or as larger aggregates around 20 nm, which is industrially relevant because palladium performance in catalysis depends strongly on particle size, morphology, dispersion, and surface area. Since palladium nanoparticles are widely valuable as heterogeneous catalysts, electrocatalysts, and functional materials, ultrasonic reduction is attractive for producing finely dispersed Pd catalysts under comparatively mild liquid-phase conditions, with potential benefits for chemical synthesis, environmental catalysis, fuel-cell technologies, and other processes where high catalytic activity and efficient noble-metal utilization are economically important.
Industrijska obrada nanočestica sa sonicator UIP2000hdT
Procedura pripreme uzorka
Uzorci su pripremljeni na sljedeći način:
Za uzorke, mješavine od 30mL EG i 5·10-6mol PVP su pripremljeni magnetskim miješanjem 15 minuta. Za različite uzorke dodate su različite količine Pd(NO₃)₂ rastvora, 1,5 mL i 2 mL. Mješavine uzoraka su pripremljene u omjeru 2·10-3mol Pd(NO₃)₂ u uzorku (a) i 2,66·10-3mol Pd(NO₃)₂ u uzorku (b). Obje smjese su sonikirane u bočici od 20mL koristeći sondo-tip ultrasonikatora. Uzorci su uzeti nakon vremena sonifikacije od 30, 60, 90, 120, 150 i 180 min.
Analiza eksperimentalnih rezultata pokazuje da:
- 1. Sonohemijska redukcija Pd(II) u Pd(0) zavisi od vremena sonikacije.
- 2. Visok molarni odnos PVP/Pd(II) dovodi do formiranja monodisperznih čestica paladijuma zaobljenog oblika i srednjeg prečnika od oko 5 nm.
- 3. Međutim, nizak molarni odnos PVP/Pd(II) uključuje dobijanje agregata nanočestica paladijuma sa velikom raspodelom veličine sa centrom na 20nm.
Sonohemijski put redukcije jona paladija (II). Pd(II) na atome paladijuma Pd(0) može se pretpostaviti da je sljedeće:
- (1) Vodena piroliza: H₂O → •OH+•H
- (2) Formiranje radikala: RH (redukcijsko sredstvo) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) Redukcija jona: Pd(II) + redukcijski radikali (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) Formiranje čestica: nPd(0) → Pdn
Rezultat: Ovisno o omjeru PVP/Pd(II), dispergovani ili agregirani Pdn su dobijeni.
Sonohemijska redukcija paladijuma: uzorak a (lijevo) sadrži veliku količinu PVP-a, uzorak b (desno) malu količinu PVP-a. Vrijeme sonifikacije sa UP100H: 180 minuta. Uzorak a prikazuje mono disperzirane Pd nanočestice, uzorak b agregiranih Pd nanočestica.
Slike i studija: ©Nemamcha i Rehspringer, 2008
Analiza i rezultati
UV-vidljive apsorpcione analize potvrđuju vezu između sonohemijske redukcije jona paladijuma(II) na atome paladijuma(0) i vremena zadržavanja u ultrazvučnom polju. Redukcija iona paladijuma(II) na atome paladijuma(0) napreduje i može se u potpunosti postići sa povećanjem vremena sonikacije. Mikrogrami transmisione elektronske mikroskopije (TEM) pokazuju da:
- Kada se doda velika količina PVP-a, sonokemijska redukcija jona paladija dovodi do formiranja monodisperziranih čestica paladija sferičnog oblika i prosječnog prečnika od oko 5 nm.
- Upotreba male količine PVP-a podrazumijeva dobijanje agregata nanometarskih čestica paladija. Mjerenja dinamičkog raspršenja svjetlosti (DLS) pokazuju da agregati nanometarskih čestica paladija imaju široku distribuciju veličina centriranu oko 20 nm.
Laboratorijski sonikator UP100H je korišten za pripremu nanometarskih čestica paladija.
Nano čestice paladijuma (Pd) mogu se pripremiti sonikacijom
Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvaliteta Made in Germany
Hielscher ultrasonicatori su poznati po najvišoj kvaliteti i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih aparata u industrijske objekte. Hielscher ultrasonikatori lako se nose sa teškim uslovima i zahtevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučne aparate visokih performansi koji se odlikuju najsavremenijom tehnologijom i lakoćom korišćenja. Naravno, Hielscher ultrasonikatori su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoH.
Literatura/Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
What is Palladium?
Palladium is a rare, silvery-white precious metal with the chemical symbol Pd and atomic number 46. It belongs to the platinum-group metals and is valued because it is chemically stable, conducts electricity, absorbs hydrogen, and acts as an excellent catalyst. Finely divided palladium is especially effective for hydrogenation and dehydrogenation reactions, and heated palladium can allow hydrogen to diffuse through it, which makes it useful for hydrogen separation and purification.
What are Palladium Nanoparticles Used for?
Palladijumske nanočestice se uglavnom koriste kao katalizatori sa velikom površinom. Budući da nanočestice izlažu mnogo veću aktivnu površinu nego čisti palladijum, one mogu poboljšati efikasnost katalizatora i smanjiti količinu skupog plemenitog metala koja je potrebna. Tipične primjene uključuju hemijsku sintezu, reakcije hidrogenacije, reakcije povezivanja ugljik–ugljik, elektrokatalizu, istraživanje gorivnih ćelija, detekciju i skladištenje vodonika, ekološku katalizu i neka biomedicinska istraživanja kao što su antimikrobni, fototermalni i anti-kancerogeni sistemi. Katalitičko ponašanje palladijuma snažno zavisi od veličine čestica, morfologije i disperzije.
Palladijumske nanočestice se također koriste za doziranje drugih čestica kako bi se postigle katalitičke funkcionalnosti. Pročitajte više o ultrazvučnoj metodi za sintezu Pd/N-BCNT kao Fischer-Tropsch katalizatora!
Da li je paladijum toksičan?
Elemental metallic palladium is generally considered to have low toxicity and no known biological role, but palladium compounds, salts, dusts, and nanoscale forms should be handled carefully. Occupational or laboratory exposure can cause irritation or sensitization depending on the compound and route of exposure, and palladium chloride solutions, for example, may irritate mucous membranes. For industrial handling, the practical answer is: bulk metallic palladium is relatively low-risk, but palladium powders, soluble palladium salts, and palladium nanoparticles should be treated as potentially hazardous materials, with dust control, ventilation, gloves, eye protection, and proper waste handling.