A palládium nanorészecskék szonokémiai redukciója
A palládium (Pd) jól ismert katalitikus tulajdonságairól, és széles körben alkalmazzák az anyagkutatásban, az elektronikai gyártásban, az orvostudományban, a hidrogén tisztításában, valamint különféle kémiai alkalmazásokban. Szono-kémiai eljárás alkalmazásával a palládiumrészecskék mérete és morfológiája a PVP/Pd arány beállításával szabályozható. Ez lehetővé teszi akár nagyon finom, monodiszperz nanorészecskék, akár nagyobb palládium-aggregátumok ultrahangos szintézisét, így a részecskék méretei az optimális katalitikus teljesítményhez igazíthatók.
Palládium nanorészecskék ultrahangos előállítása
Az ultrahangos palládium-nanorészecskék redukciója gyors és reagens-hatékony módszert kínál a Pd(0) nanorészecskék előállítására: az akusztikus kavitáció segítségével lokalizált, nagy energiájú körülményeket hoz létre, és redukálja az oldatban lévő szabad gyököket, így a palládiumionok redukciója a hagyományos magas hőmérsékletű eljárások alkalmazása nélkül is megvalósítható.
A folyamat szabályozása jelentősen előnyös: az ultrahangos kezelés időtartama és a stabilizátor koncentrációja, például a PVP/Pd arány, befolyásolhatja, hogy a termék jól diszpergált, kerek, körülbelül 5 nm-es nanorészecskék formájában vagy nagyobb, körülbelül 20 nm-es aggregátumok formájában alakul-e ki, ami ipari szempontból releváns, mivel a palládium katalitikus teljesítménye erősen függ a részecskemérettől, a morfológiától, a diszperziótól és a felületi területtől. Mivel a palládium-nanorészecskék széles körben értékesek heterogén katalizátorokként, elektrokatalizátorokként és funkcionális anyagokként széles körben értékesek, az ultrahangos redukció vonzó módszer finoman diszpergált Pd-katalizátorok előállítására viszonylag enyhe folyadékfázisú körülmények között, ami potenciális előnyökkel jár a kémiai szintézis, a környezetbarát katalízis, az üzemanyagcella-technológiák és más olyan folyamatok számára, ahol a magas katalitikus aktivitás és a nemesfémek hatékony kihasználása gazdasági szempontból fontos.
Ipari nanorészecskék feldolgozása az UIP2000hdT szonikátorral
A minta előkészítésének menete
A mintákat az alábbiak szerint készítettük elő:
A minták esetében 30 ml EG és 5·10 keveréke-6A PVP-t 15 percig mágneses keveréssel készítettük elő. A különböző mintákhoz különböző mennyiségű Pd(NO₃)₂-oldatot – 1,5 ml-t és 2 ml-t – adtunk hozzá. A mintakeverékeket 2·10 arányban állítottuk elő-3mol Pd(NO₃)₂ az (a) mintában és 2,66·10-3mol Pd(NO₃)₂ a (b) mintában. Mindkét keveréket 20 ml-es fiolában szondás ultrahangos készülékkel kezeltük. A mintákat 30, 60, 90, 120, 150 és 180 perces ultrahangkezelés után vettük le.
A kísérleti eredmények elemzése azt mutatja, hogy:
- 1. A Pd (II) szonokémiai redukciója Pd(0) -re függ az ultrahangos időtől.
- 2. A magas PVP/Pd(II) moláris arány lekerekített formájú és körülbelül 5 nm átlagos átmérőjű, monodiszpergált palládium részecskék képződéséhez vezet.
- 3. Az alacsony PVP/Pd(II) moláris arány azonban magában foglalja a palládium nanorészecskék aggregátumok előállítását, amelyek nagy méreteloszlása 20 nm-en van.
A palládium (II) ionok redukálásának szonokémiai útja Pd(II) palládium atomokhoz PD(0) feltételezhető a következő:
- (1) Víz pirolízise: H₂O → •OH + •H
- (2) Gyökök képződése: RH (redukálószer) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) Ioncsökkentés: Pd(II) + redukáló gyökök (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) Részecskeképződés: NPd(0) → Pdn
Eredmény: A PP/PD(II) aránytól függően diszpergált vagy aggregált PdN kaptak.
A palládium szonokémiai redukciója: az a) minta (balra) nagy mennyiségű PVP-t, a b) minta (jobbra) pedig kis mennyiségű PVP-t tartalmaz. Az UP100H készülékkel végzett ultrahangkezelés időtartama: 180 perc. Az a) mintában monodiszperz Pd-nanorészecskék, a b) mintában pedig aggregált Pd-nanorészecskék figyelhetők meg.
Képek és tanulmány: ©Nemamcha és Rehspringer, 2008
Elemzés és eredmények
Az UV-látható abszorpciós elemzések megerősítik a palládium (II) ionok palládium (0) atomokká történő szonokémiai redukciója és az ultrahangos mezőben a retenciós idő közötti kapcsolatot. A palládium (II) ionok palládium (0) atomokká történő redukciója előrehalad, és teljes mértékben elérhető az ultrahangos idő növekedésével. A transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) mikroszkópos felvételei azt mutatják, hogy:
- Ha nagy mennyiségű PVP-t adunk hozzá, a palládiumionok szonokémiai redukciója gömb alakú, monodiszperz palládiumrészecskék kialakulásához vezet, amelyek átlagos átmérője körülbelül 5 nm.
- Kis mennyiségű PVP alkalmazásával palládium-nanorészecskék aggregátumai keletkeznek. A dinamikus fényszórásos (DLS) mérések azt mutatják, hogy a palládium-nanorészecskék aggregátumainak méreteloszlása széles, középpontja pedig 20 nm-nél van.
Az UP100H laboratóriumi ultrahangos készülék a palládium-nanorészecskék előállításához használták.
A palládium (Pd) nano részecskék szonikálással állíthatók elő
Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban gyártott minőség
A Hielscher ultrahangos készülékek jól ismertek a legmagasabb minőségi és tervezési szabványokról. A robusztusság és a könnyű kezelhetőség lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A durva körülmények és az igényes környezetek könnyen kezelhetők Hielscher ultrasonicators.
Hielscher Ultrasonics egy ISO tanúsítvánnyal rendelkező cég, és különös hangsúlyt fektet a nagy teljesítményű ultrasonicatorokra, amelyek a legmodernebb technológiát és felhasználóbarátságot mutatják. Természetesen a Hielscher ultrasonicators CE-kompatibilis és megfelel az UL, CSA és RoHs követelményeinek.
Irodalom/Hivatkozások
- 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.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Mi az a palládium?
A palládium egy ritka, ezüstfehér nemesfém, kémiai jelölése Pd, atomszáma 46. A platinacsoportba tartozó fémek közé sorolható, és azért értékes, mert kémiailag stabil, vezeti az elektromosságot, hidrogént köt meg, és kiváló katalizátorként működik. A finoman elosztott palládium különösen hatékony hidrogénezési és dehidrogénezési reakciókban, a felmelegített palládium pedig lehetővé teszi a hidrogén diffúzióját rajta keresztül, ami hasznossá teszi a hidrogén elválasztásához és tisztításához.
Mire használják a palládium-nanorészecskéket?
A palládium-nanorészecskéket elsősorban nagy felületű katalizátorokként használják. Mivel a nanorészecskék sokkal nagyobb aktív felületet tesznek ki, mint a tömör palládium, javíthatják a katalizátor hatékonyságát és csökkenthetik a szükséges drága nemesfém mennyiségét. Jellemző alkalmazási területeik közé tartozik a kémiai szintézis, a hidrogénezési reakciók, a szén–szén kapcsolási reakciók, az elektrokatalízis, az üzemanyagcellák kutatása, a hidrogénérzékelés és -tárolás, a környezetvédelmi katalízis, valamint egyes orvosbiológiai kutatási területek, például az antimikrobiális, fototermikus és rákellenes rendszerek. A palládium katalitikus viselkedése erősen függ a részecskemérettől, a morfológiától és a diszperziótól.
A palládium-nanorészecskéket más részecskék doppingolására is használják katalitikus tulajdonságok elérése érdekében. Tudjon meg többet a Pd/N-BCNT Fischer–Tropsch-katalizátorként történő szintézisének ultrahangos módszeréről!
A palládium mérgező?
Az elemi fém palládiumot általában alacsony toxicitású anyagnak tekintik, és nincs ismert biológiai szerepe, azonban a palládiumvegyületekkel, sókkal, porokkal és nanoméretű formákkal óvatosan kell bánni. A munkahelyi vagy laboratóriumi expozíció a vegyülettől és az expozíció módjától függően irritációt vagy szenzibilizációt okozhat; például a palládium-klorid-oldatok irritálhatják a nyálkahártyákat. Ipari kezelés esetén a gyakorlati válasz a következő: az ömlesztett fém palládium kockázata viszonylag alacsony, de a palládiumporokat, az oldható palládiumsókat és a palládium-nanorészecskéket potenciálisan veszélyes anyagként kell kezelni, porcsökkentő intézkedésekkel, szellőzéssel, kesztyűkkel, szemvédővel és megfelelő hulladékkezeléssel.