Reducción sonoquímica de nanopartículas de paladio
El paladio (Pd) es muy conocido por sus propiedades catalíticas y también se utiliza ampliamente en la investigación de materiales, la fabricación de productos electrónicos, la medicina, la purificación de hidrógeno y diversas aplicaciones químicas. Mediante un proceso sonoquímico, es posible controlar el tamaño y la morfología de las partículas de paladio 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, lo que permite adaptar las dimensiones de las partículas para obtener un rendimiento catalítico óptimo.
Producción ultrasónica de nanopartículas de paladio
La reducción ultrasónica de nanopartículas de paladio ofrece una vía rápida y eficiente en cuanto al uso de reactivos para obtener nanopartículas de Pd(0), mediante el uso de la cavitación acústica para generar condiciones localizadas de alta energía y radicales reductores en solución, lo que permite reducir los iones de paladio sin necesidad de recurrir a los procesos convencionales a alta temperatura.
Una ventaja clave es el control del proceso: el tiempo de sonicación y la concentración del estabilizador, como la relación PVP/Pd, pueden influir en que el producto se forme como nanopartículas bien dispersas y redondeadas de unos 5 nm o como agregados más grandes de unos 20 nm, lo cual es relevante desde el punto de vista industrial, ya que el rendimiento del paladio en la catálisis depende en gran medida del tamaño de las partículas, la morfología, la dispersión y el área superficial. Dado que las nanopartículas de paladio son muy valiosas como catalizadores heterogéneos, electrocatalizadores y materiales funcionales, la reducción ultrasónica resulta atractiva para producir catalizadores de Pd finamente dispersos en condiciones de fase líquida relativamente suaves, con beneficios potenciales para la síntesis química, la catálisis medioambiental, las tecnologías de pilas de combustible y otros procesos en los que una alta actividad catalítica y una utilización eficiente de los metales nobles revisten importancia económica.
Procesamiento industrial de nanopartículas con el sonicador UIP2000hdT
Procedimiento de preparación de muestras
Las muestras se prepararon de la siguiente manera:
Para las muestras, mezclas de 30mL de EG y 5·10-6Se prepararon mol de PVP mediante agitación magnética durante 15 minutos. A las diferentes muestras se les añadieron cantidades distintas de solución de Pd(NO₃)₂, concretamente 1,5 ml y 2 ml. Las mezclas de las muestras se prepararon en 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 sometieron a ultrasonidos en un vial de 20 ml utilizando un ultrasonificador de sonda. Se tomaron muestras tras tiempos de sonificación de 30, 60, 90, 120, 150 y 180 minutos.
El análisis de los resultados experimentales muestra que:
- 1. La reducción sonoquímica de Pd(II) en Pd(0) depende del tiempo de sonicación.
- 2. La alta relación molar PVP / Pd (II) conduce a la formación de partículas de paladio monodispersas que tienen una forma redondeada y un diámetro medio de aproximadamente 5 nm.
- 3. Sin embargo, la baja relación molar PVP/Pd(II) implica la obtención de agregados de nanopartículas de paladio con una gran distribución de tamaño centrada en 20nm.
La ruta sonoquímica de la reducción de iones paladio (II) Pd(II) a los átomos de paladio Pd(0) se puede suponer que es lo 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), Pd disperso o agregadoN se obtuvieron.
Reducción sonoquímica del paladio: la muestra a (izquierda) contiene una cantidad elevada de PVP, mientras que la muestra b (derecha) contiene una cantidad baja de PVP. Tiempo de sonicación con el UP100H: 180 min. La muestra a presenta nanopartículas de Pd monodispersas, mientras que la muestra b presenta 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 retención en el campo ultrasónico. La reducción de los iones de paladio (II) a átomos de paladio (0) progresa y puede lograrse completamente con el aumento del 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 da lugar a la formación de partículas de paladio monodispersas de forma esférica y con un diámetro medio de aproximadamente 5 nm.
- El uso de una pequeña cantidad de PVP permite obtener agregados de nanopartículas de paladio. Las mediciones de dispersión dinámica de luz (DLS) revelan que los agregados de nanopartículas de paladio presentan una amplia distribución de tamaños centrada en 20 nm.
El sonicador de laboratorio UP100H se ha utilizado para la preparación de nanopartículas de paladio.
Las nanopartículas de paladio (Pd) pueden prepararse por sonicación
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Literatura/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.
Información interesante
¿Qué es el paladio?
El paladio es un metal precioso poco común, de color blanco plateado, cuyo símbolo químico es Pd y cuyo número atómico es el 46. Pertenece a los metales del grupo del platino y es muy apreciado por su estabilidad química, su capacidad para conducir la electricidad, su capacidad para absorber hidrógeno y por actuar como un excelente catalizador. El paladio finamente dividido resulta especialmente eficaz para las reacciones de hidrogenación y deshidrogenación, y cuando se calienta, permite 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 de gran superficie específica. Dado que las nanopartículas presentan una superficie activa mucho mayor que el paladio en masa, pueden mejorar la eficiencia del catalizador y reducir la cantidad de metal noble necesario, que suele ser costoso. Entre sus aplicaciones típicas 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 medioambiental y algunas áreas de investigación biomédica, como los sistemas antimicrobianos, fototérmicos y contra el cáncer. 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 conseguir propiedades catalíticas. ¡Descubre más sobre el método ultrasónico para sintetizar Pd/N-BCNT como catalizador de Fischer-Tropsch!
¿Es tóxico el paladio?
En general, se considera que el paladio metálico elemental tiene una baja toxicidad y que no desempeña ninguna función biológica conocida; sin embargo, los compuestos, las sales, el polvo y las formas a nanoescala del paladio deben manipularse con precaución. La exposición laboral o en el laboratorio puede provocar irritación o sensibilización, dependiendo del compuesto y de la vía de exposición; por ejemplo, las soluciones de cloruro de paladio pueden irritar las membranas mucosas. En lo que respecta a la manipulación industrial, la respuesta práctica es la siguiente: el paladio metálico a granel 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 medidas de control del polvo, ventilación, guantes, protección ocular y una gestión adecuada de los residuos.