Reducción sonoquímica de nanopartículas de paladio

El paladio (Pd) es bien conocido por sus propiedades catalíticas y también se utiliza ampliamente en la investigación de materiales, la fabricación de componentes electrónicos, la medicina, la purificación de hidrógeno y diversas aplicaciones químicas. Mediante una vía sonoquímica, el tamaño y la morfología de las partículas de paladio pueden controlarse ajustando la relación PVP/Pd. Esto permite la síntesis ultrasónica tanto de nanopartículas muy finas y monodispersas como de agregados de paladio de mayor tamaño, de modo que las dimensiones de las partículas puedan adaptarse para obtener un rendimiento catalítico óptimo.

Producción ultrasónica de nanopartículas de paladio

La reducción ultrasónica para obtener nanopartículas de paladio ofrece una vía rápida y eficiente en el uso de reactivos para producir nanopartículas de Pd(0). Utiliza la cavitación acústica para generar condiciones localizadas de alta energía y radicales reductores en solución, lo que permite reducir los iones de paladio sin recurrir al procesamiento convencional a altas temperaturas.
Una ventaja clave es el control del proceso: el tiempo de sonicación y la concentración del estabilizante, expresada, por ejemplo, mediante la relación PVP/Pd, pueden influir en que el producto se forme como nanopartículas redondeadas y bien dispersas de alrededor de 5 nm o como agregados de mayor tamaño de alrededor de 20 nm. Esto tiene relevancia industrial porque el rendimiento del paladio en catálisis depende en gran medida del tamaño, la morfología, la dispersión y la superficie de las partículas. Dado que las nanopartículas de paladio son de gran utilidad como catalizadores heterogéneos, electrocatalizadores y materiales funcionales, la reducción ultrasónica resulta atractiva para producir catalizadores de Pd finamente dispersos en condiciones de fase líquida comparativamente suaves, con posibles beneficios para la síntesis química, la catálisis ambiental, las tecnologías de pilas de combustible y otros procesos en los que una elevada actividad catalítica y un uso eficiente de los metales nobles son económicamente importantes.

Nemamcha y Rehspringer (2008) investigaron la producción sonoquímica de nanopartículas de paladio dispersas y agregadas. Para ello, se sonicó una solución de Pd(NO₃)₂ con el homogeneizador ultrasónico de laboratorio UP100H en presencia de etilenglicol (EG) y polivinilpirrolidona (PVP).

Procedimiento de preparación de las muestras

Las muestras se prepararon del siguiente modo:
Para las muestras, se prepararon mezclas de 30 mL de EG y 5·10^-6mol de PVP mediante agitación magnética durante 15 min. A las distintas muestras se añadieron diferentes cantidades de solución de Pd(NO₃)₂: 1,5 mL y 2 mL. Las mezclas de las muestras se prepararon con una proporción de 2·10^-3mol de Pd(NO₃)₂ en la muestra (a) y 2,66·10^-3mol de Pd(NO₃)₂ en la muestra (b). Ambas mezclas se sonicaron en un vial de 20 mL utilizando un ultrasonicador de tipo sonda. Se tomaron muestras tras tiempos de sonicación de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 min.

El análisis de los resultados experimentales muestra que:

1. La reducción sonoquímica de Pd(II) a Pd(0) depende del tiempo de sonicación.

2. Una relación molar PVP/Pd(II) alta conduce a la formación de partículas de paladio monodispersas de forma redondeada y con un diámetro medio de aproximadamente 5 nm.

3. Sin embargo, una relación molar PVP/Pd(II) baja da lugar a la obtención de agregados de nanopartículas de paladio con una distribución amplia de tamaños centrada en 20 nm.

Puede suponerse que la vía sonoquímica de reducción de los iones de paladio (II) Pd(II) a átomos de paladio Pd(0) es la siguiente:

(1) Pirólisis del agua: H₂O → •OH+•H
(2) Formación de radicales: RH (Agente reductor) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Reducción de iones: Pd(II) + radicales reductores (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Formación de partículas: nPd(0) → Pdn

Resultado: Dependiendo de la relación PVP/Pd(II), se obtuvo Pd_n disperso o agregado.

Nanopartículas de Pd monodispersas y agregadas obtenidas mediante reducción ultrasónica de Pd(II)

Reducción sonoquímica del paladio: la muestra a (izquierda) contiene una cantidad elevada de PVP y la muestra b (derecha), una cantidad baja de PVP. Tiempo de sonicación con UP100H: 180 min. La muestra a presenta nanopartículas de Pd monodispersas y la muestra b, nanopartículas de Pd agregadas.
Imágenes y estudio: ©Nemamcha y Rehspringer, 2008

Análisis y resultados

Los análisis de absorción UV-visible confirman la relación entre la reducción sonoquímica de los iones de paladio(II) a átomos de paladio(0) y el tiempo de permanencia en el campo ultrasónico. La reducción de los iones de paladio(II) a átomos de paladio(0) avanza y puede completarse al aumentar el tiempo de sonicación. Las micrografías de microscopía electrónica de transmisión (TEM) muestran que:

Cuando se añade una cantidad elevada de PVP, la reducción sonoquímica de los iones de paladio conduce a la formación de partículas de paladio monodispersas de forma esférica y con un diámetro medio de aprox. 5 nm.
El uso de una pequeña cantidad de PVP da lugar a la obtención de agregados de nanopartículas de paladio. Las mediciones de dispersión dinámica de luz (DLS) revelan que los agregados de nanopartículas de paladio presentan una distribución amplia de tamaños centrada en 20 nm.

Este vídeo del homogeneizador ultrasónico UP100H muestra su diseño compacto y sus diversas aplicaciones, como dispersión, homogeneización, mezcla, desgasificación o emulsificación.

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores Hielscher son reconocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores Hielscher se adaptan fácilmente a condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO que presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento con tecnología de vanguardia y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

Bibliografía/Referencias

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.

Temas relacionados

Información de interés

¿Qué es el paladio?

El paladio es un metal precioso poco abundante, de color blanco plateado, con el símbolo químico Pd y el número atómico 46. Pertenece al grupo de los metales del platino y se valora por su estabilidad química, su conductividad eléctrica, su capacidad de absorber hidrógeno y su excelente actividad catalítica. El paladio finamente dividido es especialmente eficaz en las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación, y el paladio calentado puede permitir que el hidrógeno se difunda a través de él, lo que lo hace útil para la separación y purificación del hidrógeno.

¿Para qué se utilizan las nanopartículas de paladio?

Las nanopartículas de paladio se utilizan principalmente como catalizadores con una elevada superficie específica. Dado que las nanopartículas exponen una superficie activa mucho mayor que el paladio en forma maciza, pueden mejorar la eficiencia del catalizador y reducir la cantidad necesaria de este costoso metal noble. Entre las aplicaciones habituales se incluyen la síntesis química, las reacciones de hidrogenación, las reacciones de acoplamiento carbono–carbono, la electrocatálisis, la investigación sobre pilas de combustible, la detección y el almacenamiento de hidrógeno, la catálisis ambiental y algunas áreas de investigación biomédica, como los sistemas antimicrobianos, fototérmicos y anticancerígenos. El comportamiento catalítico del paladio depende en gran medida del tamaño, la morfología y la dispersión de las partículas.
Las nanopartículas de paladio también se utilizan para dopar otras partículas con el fin de conferirles funcionalidades catalíticas. ¡Descubra más sobre la vía ultrasónica para sintetizar Pd/N-BCNT como catalizador Fischer-Tropsch!

¿Es tóxico el paladio?

En general, se considera que el paladio metálico elemental tiene una toxicidad baja y ninguna función biológica conocida, pero los compuestos, las sales, los polvos y las formas nanométricas de paladio deben manipularse con cuidado. La exposición laboral o en el laboratorio puede causar irritación o sensibilización según el compuesto y la vía de exposición; por ejemplo, las soluciones de cloruro de paladio pueden irritar las mucosas. Para la manipulación industrial, la respuesta práctica es la siguiente: el paladio metálico en forma maciza presenta un riesgo relativamente bajo, pero los polvos de paladio, las sales solubles de paladio y las nanopartículas de paladio deben tratarse como materiales potencialmente peligrosos, con control del polvo, ventilación, guantes, protección ocular y una gestión adecuada de los residuos.