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. Grâce à une méthode 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 soit de nanoparticules très fines et monodispersées, soit d'agrégats de palladium plus volumineux, ce qui permet d'adapter la taille des particules pour obtenir des performances catalytiques optimales.

Production ultrasonique de nanoparticules de palladium

La réduction par ultrasons des nanoparticules de palladium offre une méthode rapide et économe en réactifs pour obtenir des nanoparticules de Pd(0), grâce à l'utilisation de la cavitation acoustique qui génère des conditions localisées de haute énergie et des radicaux réducteurs en solution, permettant ainsi la réduction des ions palladium sans recourir aux procédés conventionnels à haute température.
L'un des principaux avantages réside dans le contrôle du procédé : la durée de sonication et la concentration en stabilisant, telle que le rapport PVP/Pd, peuvent déterminer si le produit se présente sous forme de nanoparticules bien dispersées et arrondies d’environ 5 nm ou sous forme d’agrégats plus gros d’environ 20 nm, ce qui revêt une importance industrielle car les performances du palladium en catalyse dépendent fortement de la taille des particules, de leur morphologie, de leur dispersion et de leur surface spécifique. Les nanoparticules de palladium étant très prisées en tant que catalyseurs hétérogènes, d’électrocatalyseurs et de matériaux fonctionnels, la réduction par ultrasons constitue une méthode intéressante pour produire des catalyseurs au Pd finement dispersés dans des conditions de phase liquide relativement douces, avec des avantages potentiels pour la synthèse chimique, la catalyse environnementale, les technologies des piles à combustible et d’autres procédés où une activité catalytique élevée et une utilisation efficace des métaux nobles revêtent une importance économique majeure.

Nemamcha et Rehspringer (2008) ont étudié la production sonochimique de nanoparticules de palladium dispersées et agrégées. À cette fin, une solution de Pd(NO₃)₂ a été traitée par ultrasons à l'aide de l'homogénéisateur de laboratoire UP100H en présence d'éthylène glycol (EG) et de polyvinylpyrrolidone (PVP).

Procédure de préparation des échantillons

Les échantillons ont été préparés comme suit :
Pour les échantillons, des mélanges de 30 ml d'EG et de 5 à 10 ml d'EG ont été utilisés.^-6mol de PVP ont été préparés par agitation magnétique pendant 15 minutes. Pour les différents échantillons, on a ajouté des quantités différentes de solution de Pd(NO₃)₂, à savoir 1,5 ml et 2 ml. Les mélanges d'échantillons ont été préparés selon un rapport de 2·10^-3mol de Pd(NO₃)₂ dans l'échantillon (a) et 2,66·10^-3mol de Pd(NO₃)₂ dans l'échantillon (b). Les deux mélanges ont été traités par ultrasons dans un flacon de 20 ml à l'aide d'un ultrasonateur à sonde. Des échantillons ont été prélevés après des durées de traitement de 30, 60, 90, 120, 150 et 180 minutes.

L'analyse des résultats expérimentaux montre que

1. La réduction sonochimique du Pd(II) en Pd(0) dépend du temps de sonication.

2. Le rapport molaire PVP/Pd(II) élevé conduit à la formation de particules de palladium monodispersées ayant une forme arrondie et un diamètre moyen d'environ 5 nm.

3. Cependant, le faible rapport molaire PVP/Pd(II) implique l'obtention d'agrégats de nanoparticules de palladium avec une large distribution de taille centrée sur 20nm.

La voie sonochimique de réduction des ions palladium (II) Pd(II) à des atomes de palladium Pd(0) peut être supposé être le suivant :

(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 : En fonction du rapport PVP/Pd(II), on obtient du Pd(II) dispersé ou agrégé._n ont été obtenus.

Nanoparticules de Pd mono-dispersées et agrégées obtenues par réduction ultrasonique de Pd(II)

Réduction sonochimique du palladium : l'échantillon a (à gauche) contient une forte concentration en PVP, tandis que l'échantillon b (à droite) en contient une faible. Durée de sonication avec l'UP100H : 180 min. L'échantillon a présente des nanoparticules de Pd monodispersées, tandis que l'échantillon b présente 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 rétention dans le champ ultrasonique. La réduction des ions palladium(II) en atomes de palladium(0) progresse et peut être complètement réalisée avec l'augmentation du temps de sonication. Les micrographies de la microscopie électronique à transmission (MET) montrent que :

Lorsqu'on ajoute une quantité importante de PVP, la réduction sonochimique des ions palladium conduit à la formation de particules de palladium monodispersées, de forme sphérique et d'un diamètre moyen d'environ 5 nm.
L'utilisation d'une faible quantité de PVP permet d'obtenir des agrégats de nanoparticules de palladium. Les mesures par diffusion dynamique de la lumière (DLS) révèlent que ces agrégats présentent une large distribution granulométrique centrée sur 20 nm.

Cette vidéo de l'homogénéisateur ultrasonique UP100H montre sa conception compacte et ses applications polyvalentes, telles que la dispersion, l'homogénéisation, le mélange, le dégazage ou l'émulsification.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Littérature/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.

Sujets connexes

Qu'il faut savoir

Qu'est-ce que le palladium ?

Le palladium est un métal précieux rare, de couleur blanc argenté, dont le symbole chimique est Pd et le numéro atomique 46. Il fait partie des métaux du groupe du platine et est très prisé en raison de sa stabilité chimique, de sa conductivité électrique, de sa capacité à absorber l'hydrogène et de ses excellentes propriétés catalytiques. Le palladium finement divisé est particulièrement efficace pour les réactions d'hydrogénation et de déshydrogénation, et lorsqu'il est chauffé, il permet à l'hydrogène de se 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 présentent une surface active bien plus importante que le palladium massif, elles permettent d’améliorer l’efficacité du catalyseur et de réduire la quantité de métal noble coûteux nécessaire. Parmi les applications typiques, on peut citer 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 la 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 propriétés catalytiques. Découvrez-en davantage sur le procédé par ultrasons permettant de synthétiser du Pd/N-BCNT comme catalyseur de Fischer-Tropsch !

Le palladium est-il toxique ?

Le palladium métallique élémentaire est généralement considéré comme peu toxique et sans rôle biologique connu, mais les composés, sels, poussières et 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. En ce qui concerne la manipulation industrielle, la conclusion pratique est la suivante : le palladium métallique en vrac 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 matières potentiellement dangereuses, ce qui implique un contrôle des poussières, une ventilation adéquate, le port de gants et de lunettes de protection, ainsi qu’une gestion appropriée des déchets.