Sonochemische Reduktion von Palladium-Nanopartikeln

Feinverteiltes Palladium (Pd) ist ein exzellenter Katalysator; aber auch in der Materialforschung, der Elektronikproduktion, Medizin, Wasserstoffreinigung und anderen chemischen Anwendungen wird Palladium häufig verwendet. Über den sonochemischen Weg können mono-dispergierte sowie aggregierte Palladium-Nanopartikel hergestellt werden.

Ultraschall-gestützte Produktion von Palladium-Nanopartikeln

Nemamcha und Rehspringer haben einen sonochemischen Weg für die Produktion von dispergierten und aggregierten Palladium-Nanopartikel entwickelt. Dafür haben sie eine Pd(NO₃)₂ -Lösung mit einem Ultraschall-Laborhomogenisator UP100H unter Zusatz von Ethylenglykol (EG) und Polyvinylpyrrolidon (PVP) beschallt.

Vorgehensweise

Die Proben wurden wie folgt vorbereitet:
Für die Proben wurden 30ml EG und 5·10^-6Mol PvP mit einem Magnetführer für 15 Minuten gemischt. Um verschiedene Proben untersuchen zu können, wurden unterschiedliche Mengen der Pd(NO₃)₂ -Lösung von 1,5ml und 2ml hinzugefügt. Probe (a) wurde mit dem Verhältnis von 2·10^-3Mol Pd(NO₃)₂ und Probe (b) mit dem Verhältnis von 2,66·10^-3Mol Pd(NO₃)₂ angemischt. Beide Mischungsverhältnisse wurden in 20ml-Fläschchen mit einer Ultraschallgerät beschallt. Proben wurden jeweils nach einer Beschallungsdauer von 30, 60, 90, 120, 150 und 180 Min. entnommen.

Die Analyse der Versuchsergebnisse zeigte, dass:

(1) Die sonochemische Reduktion von Pd(II) zu Pd(0) ist von der Beschallungsdauer abhängig.

2. Das hohe Molverhältnis führt zur Bildung von einzeln/ mono-dispergierten Palladiumpartikeln mit runder Form und einem Durchmesser von ca. 5nm.

3. Das niedrige PVP/Pd(II) Molverhältnis zieht allerdings nach sich, dass Palladium-Nanopartikel aggregieren, so dass Aggregate mit ca. 20nm entstehen.

Der sonochemische Weg zur Reduktion von Palladium(II)-Ionen PD(II) zu Palladiumatomen Pd(0) lautet vermutlich folgendermaßen:

• (1) Wasserpyrolyse: H₂O → •OH+•H
• (2) Radikalbildung: RH (Reduktionsmittel) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
• (3) Ionenreduktion: Pd(II) + reduzierende Radikale (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
• (4) Partikelbildung: nPd(0) → Pdn

–> Ergebnis: Je nach PVP/Pd(II)-Verhältnis wurde dispergiertes oder aggregiertes Pd_n entstehen.

Sonochemische Reduktion von Palladium: Probe (a) (links) hat einen hohen PVP-Gehalt, Probe (b) (rechts) hat einen geringen PVP-Gehalt. Die Proben wurden mit einem UP100Hfür 180Min. beschallt. Probe (a) zeigt mono-dosperse Pd-Nanopartikel, Probe (b) weist aggregierte Pd-Nanopartikel auf. [Nemamcha; Rehspringer 2008]

Analyse und Ergebnis

Die spektrophotometrischen Analysen im UV-Bereich bestätigen die Korrelation zwischen der sonochemischen Reduktion der Palladium(II)-Ionen zu Palladium(0)-Atomen und der Verweilzeit im Ultraschallfeld. Die Reduktion der Palladium(II)-Ionen zu Palladium(0)-Atomen schreitet mit zunehmender Beschallungsdauer fort und kann durch Ultraschall vollständig erreicht werden. Die Aufnahmen mit dem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zeigen, dass:

1. Wird ein hohes Maß an PVP beigemischt, werden durch die sonochemische Reduktion monodisperse Palladium-Nanopartikel mit Kugelform und einem Durchmesser von ca. 5nm synthetisiert.
2. Wird nur wenig PVP verwendet, so aggregieren die Palladium-Nanopartikel. Die dynamische Lichtstreuung (DLS)-Messungen zeigen, dass die Aggregate aus den Palladium-Nanopartikeln eine große Korngrößenverteilung von ca. 20nm haben.