Réduction sonochimique de nanoparticules de palladium
Le palladium (Pd) est bien connu pour ses propriétés catalytiques et est également largement utilisé dans la recherche sur les matériaux, la fabrication de composants électroniques, la médecine, la purification de l’hydrogène et diverses applications chimiques. Par voie sonochimique, la taille et la morphologie des particules de palladium peuvent être contrôlées en ajustant le rapport PVP/Pd. Cela permet la synthèse par ultrasons de nanoparticules très fines et monodisperses ou d’agrégats de palladium plus grands, afin d’adapter les dimensions des particules pour obtenir des performances catalytiques optimales.
Production de nanoparticules de palladium par ultrasons
La réduction par ultrasons pour produire des nanoparticules de palladium offre une voie rapide et économe en réactifs pour obtenir des nanoparticules de Pd(0). Elle utilise la cavitation acoustique pour générer localement des conditions de haute énergie et des radicaux réducteurs en solution, permettant ainsi de réduire les ions palladium sans recourir au traitement conventionnel à haute température.
Un avantage majeur est la maîtrise du procédé : la durée de sonication et la concentration du stabilisant, notamment le rapport PVP/Pd, peuvent influencer la formation du produit sous forme de nanoparticules arrondies et bien dispersées d’environ 5 nm ou d’agrégats plus grands d’environ 20 nm. Cette maîtrise présente un intérêt industriel, car les performances du palladium en catalyse dépendent fortement de la taille, de la morphologie, de la dispersion et de la surface des particules. Les nanoparticules de palladium étant largement appréciées comme catalyseurs hétérogènes, électrocatalyseurs et matériaux fonctionnels, la réduction par ultrasons constitue une voie intéressante pour produire des catalyseurs au Pd finement dispersés dans des conditions relativement douces en phase liquide. Elle présente des avantages potentiels pour la synthèse chimique, la catalyse environnementale, les technologies de piles à combustible et d’autres procédés dans lesquels une activité catalytique élevée et une utilisation efficace des métaux nobles revêtent une importance économique.
Traitement industriel des nanoparticules avec le sonicateur UIP2000hdT
Procédure de préparation des échantillons
Les échantillons ont été préparés comme suit :
Pour les échantillons, des mélanges de 30mL d’EG et de 5·10-6mol de PVP ont été préparés par agitation magnétique pendant 15 min. Pour les différents échantillons, des quantités différentes de solution de Pd(NO₃)₂, soit 1,5mL et 2mL, ont été ajoutées. Les mélanges d’échantillons ont été préparés avec un rapport de 2·10-3mol de Pd(NO₃)₂ dans l’échantillon (a) et de 2,66·10-3mol de Pd(NO₃)₂ dans l’échantillon (b). Les deux mélanges ont été soumis à une sonication dans un flacon de 20mL à l’aide d’un appareil à ultrasons à sonde. Des échantillons ont été prélevés après des durées de sonication de 30, 60, 90, 120, 150 et 180 min.
L’analyse des résultats expérimentaux montre que :
- 1. La réduction sonochimique du Pd(II) en Pd(0) dépend de la durée de sonication.
- 2. Un rapport molaire PVP/Pd(II) élevé conduit à la formation de particules de palladium monodisperses de forme arrondie et d’un diamètre moyen d’environ 5nm.
- 3. Toutefois, un faible rapport molaire PVP/Pd(II) conduit à l’obtention d’agrégats de nanoparticules de palladium présentant une large distribution de tailles centrée sur 20nm.
La voie sonochimique de réduction des ions palladium (II) Pd(II) en atomes de palladium Pd(0) peut être supposée être la suivante :
- (1) Pyrolyse de l’eau : H₂O → •OH+•H
- (2) Formation de radicaux : RH (Agent réducteur) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) Réduction des ions : Pd(II) + radicaux réducteurs (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) Formation de particules : nPd(0) → Pdn
Résultat : selon le rapport PVP/Pd(II), des Pdn dispersés ou agrégés ont été obtenus.
Réduction sonochimique du palladium : l’échantillon a (à gauche) contient une quantité élevée de PVP, l’échantillon b (à droite) une faible quantité de PVP. Durée de sonication avec l’UP100H : 180 min. L’échantillon a présente des nanoparticules de Pd monodisperses, l’échantillon b des nanoparticules de Pd agrégées.
Images et étude : ©Nemamcha et Rehspringer, 2008
Analyse et résultats
Les analyses d’absorption UV-visible confirment la relation entre la réduction sonochimique des ions palladium(II) en atomes de palladium(0) et le temps de séjour dans le champ ultrasonore. La réduction des ions palladium(II) en atomes de palladium(0) progresse et peut être complète lorsque la durée de sonication augmente. Les micrographies obtenues par microscopie électronique en transmission (TEM) montrent que :
- Lorsqu’une quantité élevée de PVP est ajoutée, la réduction sonochimique des ions palladium conduit à la formation de particules de palladium monodisperses de forme sphérique et d’un diamètre moyen d’environ 5nm.
- L’utilisation d’une faible quantité de PVP conduit à l’obtention d’agrégats de nanoparticules de palladium. Les mesures de diffusion dynamique de la lumière (DLS) révèlent que les agrégats de nanoparticules de palladium présentent une large distribution de tailles centrée sur 20nm.
Le sonicateur de laboratoire UP100H a été utilisé pour la préparation de nanoparticules de palladium.
Des nanoparticules de palladium (Pd) peuvent être préparées par sonication
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Bibliographie/Références
- 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.
Informations utiles
Qu’est-ce que le palladium ?
Le palladium est un métal précieux rare, blanc argenté, dont le symbole chimique est Pd et le numéro atomique 46. Il appartient aux métaux du groupe du platine et est apprécié pour sa stabilité chimique, sa conductivité électrique, sa capacité à absorber l’hydrogène et son excellente activité catalytique. Le palladium finement divisé est particulièrement efficace pour les réactions d’hydrogénation et de déshydrogénation. Lorsqu’il est chauffé, il peut permettre à l’hydrogène de diffuser à travers lui, ce qui le rend utile pour la séparation et la purification de l’hydrogène.
À quoi servent les nanoparticules de palladium ?
Les nanoparticules de palladium sont principalement utilisées comme catalyseurs à grande surface spécifique. Comme les nanoparticules exposent une surface active bien plus importante que le palladium massif, elles peuvent améliorer l’efficacité des catalyseurs et réduire la quantité de métal noble coûteux nécessaire. Les applications courantes comprennent la synthèse chimique, les réactions d’hydrogénation, les réactions de couplage carbone–carbone, l’électrocatalyse, la recherche sur les piles à combustible, la détection et le stockage de l’hydrogène, la catalyse environnementale ainsi que certains domaines de recherche biomédicale, tels que les systèmes antimicrobiens, photothermiques et anticancéreux. Le comportement catalytique du palladium dépend fortement de la taille, de la morphologie et de la dispersion des particules.
Les nanoparticules de palladium sont également utilisées pour doper d’autres particules afin de leur conférer des fonctionnalités catalytiques. En savoir plus sur la voie ultrasonore de synthèse du Pd/N-BCNT comme catalyseur Fischer-Tropsch !
Le palladium est-il toxique ?
Le palladium métallique élémentaire est généralement considéré comme présentant une faible toxicité et n’a aucun rôle biologique connu. Toutefois, les composés, les sels, les poussières et les formes nanométriques du palladium doivent être manipulés avec précaution. L’exposition professionnelle ou en laboratoire peut provoquer une irritation ou une sensibilisation selon le composé et la voie d’exposition ; les solutions de chlorure de palladium, par exemple, peuvent irriter les muqueuses. Pour la manipulation industrielle, la réponse pratique est la suivante : le palladium métallique massif présente un risque relativement faible, mais les poudres de palladium, les sels solubles de palladium et les nanoparticules de palladium doivent être traités comme des matériaux potentiellement dangereux, avec maîtrise des poussières, ventilation, port de gants et de protections oculaires, et gestion appropriée des déchets.