પેલેડિયમ નેનોકણોનું સોનોકેમિકલ અપચય
પેલેડિયમ (Pd) તેના ઉત્પ્રેરક ગુણધર્મો માટે જાણીતું છે અને પદાર્થ સંશોધન, ઇલેક્ટ્રોનિક્સ ઉત્પાદન, ચિકિત્સા, હાઇડ્રોજન શુદ્ધીકરણ અને વિવિધ રાસાયણિક ઉપયોગોમાં પણ વ્યાપકપણે વપરાય છે. સોનોકેમિકલ પદ્ધતિમાં PVP/Pd ગુણોત્તરને સમાયોજિત કરીને પેલેડિયમ કણોના કદ અને આકારવિજ્ઞાનને નિયંત્રિત કરી શકાય છે. આનાથી અતિસૂક્ષ્મ, સમાન કદના નેનોકણો અથવા પેલેડિયમના મોટા સમુચ્ચયોનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ શક્ય બને છે, જેથી શ્રેષ્ઠ ઉત્પ્રેરક કાર્યક્ષમતા માટે કણોનાં પરિમાણોને અનુરૂપ બનાવી શકાય છે.
પેલેડિયમ નેનોકણોનું અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્પાદન
પેલેડિયમ નેનોકણોનું અલ્ટ્રાસોનિક અપચય ધ્વનિક કેવિટેશનનો ઉપયોગ કરીને દ્રાવણમાં સ્થાનિક ઉચ્ચ-ઊર્જાવાળી પરિસ્થિતિઓ અને અપચાયક મુક્તમૂલકો ઉત્પન્ન કરે છે અને આમ Pd(0) નેનોકણો મેળવવા માટે ઝડપી તથા અભિકર્મકોનો કાર્યક્ષમ ઉપયોગ કરતી પદ્ધતિ પૂરી પાડે છે. આનાથી પરંપરાગત ઉચ્ચ-તાપમાનની પ્રક્રિયા વિના પેલેડિયમ આયનોનું અપચય કરી શકાય છે.
પ્રક્રિયાનું નિયંત્રણ તેનો એક મુખ્ય લાભ છે: સોનિકેશનનો સમય અને સ્થિરકની સાંદ્રતા, જેમ કે PVP/Pd ગુણોત્તર, ઉત્પાદન લગભગ 5 nmના સારી રીતે વિખેરાયેલા, ગોળાકાર નેનોકણો તરીકે બને છે કે લગભગ 20 nmના મોટા સમુચ્ચયો તરીકે બને છે તેના પર અસર કરી શકે છે. ઔદ્યોગિક દૃષ્ટિએ આ પ્રાસંગિક છે, કારણ કે ઉત્પ્રેરણમાં પેલેડિયમની કાર્યક્ષમતા કણોના કદ, આકારવિજ્ઞાન, વિખેરણ અને સપાટીના ક્ષેત્રફળ પર ખૂબ આધાર રાખે છે. પેલેડિયમ નેનોકણો વિષમાંગી ઉત્પ્રેરકો, વિદ્યુતઉત્પ્રેરકો અને કાર્યાત્મક પદાર્થો તરીકે વ્યાપકપણે મૂલ્યવાન હોવાથી, તુલનાત્મક રીતે સૌમ્ય પ્રવાહી-પ્રાવસ્થાની પરિસ્થિતિઓમાં સૂક્ષ્મ રીતે વિખેરાયેલા Pd ઉત્પ્રેરકો બનાવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક અપચય આકર્ષક છે. રાસાયણિક સંશ્લેષણ, પર્યાવરણીય ઉત્પ્રેરણ, ઇંધણ-કોષ તકનીકો અને અન્ય એવી પ્રક્રિયાઓમાં તેના સંભવિત લાભો છે, જ્યાં ઉચ્ચ ઉત્પ્રેરક સક્રિયતા અને ઉમદા ધાતુનો કાર્યક્ષમ ઉપયોગ આર્થિક રીતે મહત્વપૂર્ણ હોય છે.
નેનોકણોનું ઔદ્યોગિક પ્રસંસ્કરણ સોનિકેટર UIP2000hdT વડે
નમૂના તૈયાર કરવાની પ્રક્રિયા
નમૂનાઓ નીચે મુજબ તૈયાર કરવામાં આવ્યા હતા:
નમૂનાઓ માટે, EGના 30mL અને PVPના 5·10-6molનાં મિશ્રણો 15 min સુધી ચુંબકીય હલાવટ દ્વારા તૈયાર કરવામાં આવ્યાં હતાં. જુદા જુદા નમૂનાઓ માટે Pd(NO₃)₂ના દ્રાવણની જુદી જુદી માત્રાઓ, 1.5mL અને 2mL, ઉમેરવામાં આવી હતી. નમૂનાઓનાં મિશ્રણો નીચેના ગુણોત્તર સાથે તૈયાર કરવામાં આવ્યાં હતાં: નમૂના (a)માં 2·10-3mol Pd(NO₃)₂ અને નમૂના (b)માં 2.66·10-3mol Pd(NO₃)₂. પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરનો ઉપયોગ કરીને બંને મિશ્રણોનું 20mLની વાયલમાં સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું. 30, 60, 90, 120, 150 અને 180 minના સોનિકેશન સમય પછી નમૂનાઓ લેવામાં આવ્યા હતા.
પ્રાયોગિક પરિણામોનું વિશ્લેષણ દર્શાવે છે કે:
- 1. Pd(II)નું Pd(0)માં સોનોકેમિકલ અપચય સોનિકેશનના સમય પર આધાર રાખે છે.
- 2. ઊંચો PVP/Pd(II) મોલર ગુણોત્તર ગોળાકાર આકાર અને આશરે 5nmના સરેરાશ વ્યાસવાળા સમાન કદના પેલેડિયમ કણોની રચના તરફ દોરી જાય છે.
- 3. જોકે, નીચા PVP/Pd(II) મોલર ગુણોત્તરને કારણે પેલેડિયમ નેનોકણોના એવા સમુચ્ચયો મળે છે, જેમના કદનું વિતરણ વ્યાપક હોય છે અને 20nm પર કેન્દ્રિત હોય છે.
પેલેડિયમ (II) આયનો Pd(II) નું પેલેડિયમ પરમાણુઓ Pd(0) માં અપચય કરવાની સોનોકેમિકલ પદ્ધતિ નીચે મુજબ હોવાનું માની શકાય છે:
- (1) પાણીનું ઉષ્માવિઘટન: H₂O → •OH+•H
- (2) મુક્તમૂલકોની રચના: RH (અપચાયક) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) આયનોનું અપચય: Pd(II) + અપચાયક મુક્તમૂલકો (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) કણોની રચના: nPd(0) → Pdn
પરિણામ: PVP/Pd(II) ગુણોત્તરના આધારે, વિખેરાયેલા અથવા સમુચ્ચયિત Pdn પ્રાપ્ત થયા હતા.
પેલેડિયમનું સોનોકેમિકલ અપચય: નમૂના a (ડાબે)માં PVPની વધુ માત્રા છે, જ્યારે નમૂના b (જમણે)માં PVPની ઓછી માત્રા છે. UP100H સાથે સોનિકેશનનો સમય: 180 min. નમૂના aમાં સમાન કદના વિખેરાયેલા Pd નેનોકણો દેખાય છે, જ્યારે નમૂના bમાં સમુચ્ચયિત Pd નેનોકણો દેખાય છે.
ચિત્રો અને અભ્યાસ: ©Nemamcha અને Rehspringer, 2008
વિશ્લેષણ અને પરિણામો
UV-દૃશ્યમાન શોષણનાં વિશ્લેષણો પેલેડિયમ(II) આયનોનું પેલેડિયમ(0) પરમાણુઓમાં થતા સોનોકેમિકલ અપચય અને અલ્ટ્રાસોનિક ક્ષેત્રમાં નિવાસ સમય વચ્ચેના સંબંધની પુષ્ટિ કરે છે. સોનિકેશનનો સમય વધતાં પેલેડિયમ(II) આયનોનું પેલેડિયમ(0) પરમાણુઓમાં અપચય આગળ વધે છે અને સંપૂર્ણપણે સિદ્ધ થઈ શકે છે. ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપી (TEM)નાં સૂક્ષ્મચિત્રો દર્શાવે છે કે:
- જ્યારે PVPની વધુ માત્રા ઉમેરવામાં આવે છે, ત્યારે પેલેડિયમ આયનોનું સોનોકેમિકલ અપચય ગોળાકાર આકાર અને આશરે 5nmના સરેરાશ વ્યાસવાળા સમાન કદના પેલેડિયમ કણોની રચના તરફ દોરી જાય છે.
- PVPની ઓછી માત્રાનો ઉપયોગ કરવાથી પેલેડિયમ નેનોકણોના સમુચ્ચયો મળે છે. ગતિશીલ પ્રકાશ પ્રકીર્ણન (DLS)નાં માપનો દર્શાવે છે કે પેલેડિયમ નેનોકણોના સમુચ્ચયોના કદનું વિતરણ વ્યાપક હોય છે અને 20nm પર કેન્દ્રિત હોય છે.
લેબ સોનિકેટર UP100H પેલેડિયમ નેનોકણો તૈયાર કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાયું છે.
સોનિકેશન દ્વારા પેલેડિયમ (Pd) નેનોકણો તૈયાર કરી શકાય છે
ડિઝાઇન, ઉત્પાદન અને પરામર્શ – જર્મનીમાં નિર્મિત ગુણવત્તા
Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ તેમની સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા અને ડિઝાઇનનાં ધોરણો માટે જાણીતાં છે. મજબૂતાઈ અને સરળ સંચાલનને કારણે અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સને ઔદ્યોગિક સુવિધાઓમાં સરળતાથી એકીકૃત કરી શકાય છે. Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ કઠોર પરિસ્થિતિઓ અને પડકારજનક વાતાવરણને સરળતાથી સંભાળી શકે છે.
Hielscher Ultrasonics એક ISO પ્રમાણિત કંપની છે અને અદ્યતન તકનીક તથા વપરાશકર્તા માટેની સરળતા ધરાવતા ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ પર વિશેષ ભાર મૂકે છે. અલબત્ત, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ CEને અનુરૂપ છે અને UL, CSA તથા RoHsની આવશ્યકતાઓ પૂરી કરે છે.
સાહિત્ય/સંદર્ભો
- 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.
જાણવા જેવી હકીકતો
પેલેડિયમ શું છે?
પેલેડિયમ એક દુર્લભ, ચાંદી જેવી સફેદ કિંમતી ધાતુ છે, જેનું રાસાયણિક પ્રતીક Pd અને પરમાણુ ક્રમાંક 46 છે. તે પ્લેટિનમ-સમૂહની ધાતુઓમાં આવે છે અને રાસાયણિક રીતે સ્થિર હોવાથી, વીજળીનું વહન કરતું હોવાથી, હાઇડ્રોજનનું શોષણ કરતું હોવાથી અને ઉત્તમ ઉત્પ્રેરક તરીકે કાર્ય કરતું હોવાથી મૂલ્યવાન છે. સૂક્ષ્મ કણરૂપે રહેલું પેલેડિયમ હાઇડ્રોજનીકરણ અને વિહાઇડ્રોજનીકરણની પ્રક્રિયાઓ માટે ખાસ અસરકારક છે. ગરમ કરેલું પેલેડિયમ હાઇડ્રોજનને તેમાંથી પ્રસરણ કરવા દઈ શકે છે, જેના કારણે તે હાઇડ્રોજનના અલગીકરણ અને શુદ્ધીકરણ માટે ઉપયોગી બને છે.
પેલેડિયમ નેનોકણો શેના માટે વપરાય છે?
પેલેડિયમ નેનોકણો મુખ્યત્વે ઊંચું સપાટી ક્ષેત્રફળ ધરાવતા ઉત્પ્રેરકો તરીકે વપરાય છે. સ્થૂળ પેલેડિયમની સરખામણીમાં નેનોકણો ઘણું વધુ સક્રિય સપાટી ક્ષેત્રફળ ખુલ્લું પાડતા હોવાથી, તેઓ ઉત્પ્રેરકની કાર્યક્ષમતા સુધારી શકે છે અને જરૂરી મોંઘી ઉમદા ધાતુની માત્રા ઘટાડી શકે છે. સામાન્ય ઉપયોગોમાં રાસાયણિક સંશ્લેષણ, હાઇડ્રોજનીકરણની પ્રક્રિયાઓ, કાર્બન–કાર્બન યુગ્મન પ્રક્રિયાઓ, વિદ્યુતઉત્પ્રેરણ, ઇંધણ-કોષ સંશોધન, હાઇડ્રોજનનું સંવેદન અને સંગ્રહ, પર્યાવરણીય ઉત્પ્રેરણ તથા પ્રતિસૂક્ષ્મજીવી, પ્રકાશતાપીય અને કેન્સરવિરોધી પ્રણાલીઓ જેવા કેટલાક જૈવચિકિત્સાકીય સંશોધન ક્ષેત્રોનો સમાવેશ થાય છે. પેલેડિયમનું ઉત્પ્રેરક વર્તન કણોના કદ, આકારવિજ્ઞાન અને વિખેરણ પર ખૂબ આધાર રાખે છે.
ઉત્પ્રેરક કાર્યક્ષમતાઓ પ્રાપ્ત કરવા માટે અન્ય કણોમાં ડોપિંગ કરવા પણ પેલેડિયમ નેનોકણો વપરાય છે. Fischer-Tropsch ઉત્પ્રેરક તરીકે Pd/N-BCNTનું સંશ્લેષણ કરવાની અલ્ટ્રાસોનિક પદ્ધતિ વિશે વધુ વાંચો!
શું પેલેડિયમ ઝેરી છે?
તત્ત્વરૂપ ધાત્વિક પેલેડિયમ સામાન્ય રીતે ઓછી વિષાક્તતા ધરાવતું અને કોઈ જાણીતી જૈવિક ભૂમિકા વિનાનું માનવામાં આવે છે, પરંતુ પેલેડિયમનાં સંયોજનો, ક્ષારો, ધૂળ અને નેનોસ્તરીય સ્વરૂપોને સાવચેતીથી સંભાળવાં જોઈએ. સંયોજન અને સંપર્કના માર્ગના આધારે વ્યાવસાયિક અથવા પ્રયોગશાળાકીય સંપર્કથી બળતરા અથવા સંવેદનશીલતા ઊભી થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, પેલેડિયમ ક્લોરાઇડનાં દ્રાવણો શ્લેષ્મક પટલોમાં બળતરા પેદા કરી શકે છે. ઔદ્યોગિક સંભાળ માટે વ્યવહારુ જવાબ આ છે: સ્થૂળ ધાત્વિક પેલેડિયમ પ્રમાણમાં ઓછું જોખમ ધરાવે છે, પરંતુ પેલેડિયમના પાઉડર, દ્રાવ્ય પેલેડિયમ ક્ષારો અને પેલેડિયમ નેનોકણોને સંભવિત જોખમી પદાર્થો તરીકે ગણવા જોઈએ અને તેમની સંભાળમાં ધૂળનું નિયંત્રણ, હવાની અવરજવર, હાથમોજાં, આંખોનું રક્ષણ અને કચરાનું યોગ્ય સંચાલન સામેલ હોવું જોઈએ.