Պալադիումի նանոմասնիկների սոնոքիմիական վերականգնում
Պալադիումը (Pd) հայտնի է իր կատալիտիկ հատկություններով և լայնորեն կիրառվում է նաև նյութերի հետազոտության, էլեկտրոնիկայի արտադրության, բժշկության, ջրածնի մաքրման և քիմիական տարբեր կիրառություններում։ Սոնոքիմիական եղանակով պալադիումի մասնիկների չափը և ձևաբանությունը կարելի է վերահսկել՝ կարգավորելով PVP/Pd հարաբերակցությունը։ Սա հնարավորություն է տալիս ուլտրաձայնային սինթեզով ստանալ կա՛մ շատ մանր, մոնոդիսպերս նանոմասնիկներ, կա՛մ պալադիումի ավելի խոշոր ագրեգատներ՝ թույլ տալով մասնիկների չափերը հարմարեցնել օպտիմալ կատալիտիկ արդյունավետության ապահովմանը։
Պալադիումի նանոմասնիկների ուլտրաձայնային արտադրություն
Պալադիումի նանոմասնիկների ստացման ուլտրաձայնային վերականգնման եղանակը Pd(0) նանոմասնիկներ ստանալու արագ, ռեագենտների խնայողությամբ ուղի է։ Այն օգտագործում է ակուստիկ կավիտացիան՝ լուծույթում տեղայնացված բարձր էներգիայով պայմաններ և վերականգնող ռադիկալներ առաջացնելու համար՝ հնարավորություն տալով վերականգնել պալադիումի իոններն առանց սովորական բարձրաջերմաստիճանային մշակման։
Հիմնական առավելություններից մեկը գործընթացի վերահսկումն է. ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը և կայունացուցչի կոնցենտրացիան, օրինակ՝ PVP/Pd հարաբերակցությունը, կարող են ազդել այն բանի վրա, թե արդյոք արդյունքը կձևավորվի որպես մոտ 5 nm չափով լավ դիսպերսված, կլորավուն նանոմասնիկներ, թե որպես մոտ 20 nm չափով ավելի խոշոր ագրեգատներ։ Սա արդյունաբերական նշանակություն ունի, քանի որ կատալիզում պալադիումի արդյունավետությունը մեծապես կախված է մասնիկների չափից, ձևաբանությունից, դիսպերսվածությունից և մակերևույթի մակերեսից։ Քանի որ պալադիումի նանոմասնիկները լայնորեն արժեքավոր են որպես հետերոգեն կատալիզատորներ, էլեկտրակատալիզատորներ և ֆունկցիոնալ նյութեր, ուլտրաձայնային վերականգնումը գրավիչ է համեմատաբար մեղմ հեղուկաֆազային պայմաններում մանր դիսպերսված Pd կատալիզատորներ արտադրելու համար։ Այն կարող է օգուտներ տալ քիմիական սինթեզի, բնապահպանական կատալիզի, վառելիքային տարրերի տեխնոլոգիաների և այլ գործընթացների համար, որտեղ բարձր կատալիտիկ ակտիվությունն ու ազնիվ մետաղի արդյունավետ օգտագործումը տնտեսապես կարևոր են։
Նանոմասնիկների արդյունաբերական մշակում UIP2000hdT ուլտրաձայնային սարքով
Նմուշների պատրաստման ընթացակարգ
Նմուշները պատրաստվել են հետևյալ կերպ.
Նմուշների համար 30mL EG-ի և 5·10-6mol PVP-ի խառնուրդներ են պատրաստվել՝ մագնիսական խառնմամբ 15 min ընթացքում։ Տարբեր նմուշներին ավելացվել են Pd(NO₃)₂ լուծույթի տարբեր քանակություններ՝ 1,5mL և 2mL։ Նմուշների խառնուրդները պատրաստվել են հետևյալ հարաբերակցությամբ՝ 2·10-3mol Pd(NO₃)₂՝ (a) նմուշում, և 2,66·10-3mol Pd(NO₃)₂՝ (b) նմուշում։ Երկու խառնուրդներն էլ ուլտրաձայնային մշակման են ենթարկվել 20mL սրվակում՝ զոնդային ուլտրաձայնային սարքի միջոցով։ Նմուշներ են վերցվել 30, 60, 90, 120, 150 և 180 min տևողությամբ ուլտրաձայնային մշակումից հետո։
Փորձարարական արդյունքների վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ.
- 1. Pd(II)-ի սոնոքիմիական վերականգնումը մինչև Pd(0) կախված է ուլտրաձայնային մշակման տևողությունից։
- 2. PVP/Pd(II) բարձր մոլային հարաբերակցությունը հանգեցնում է կլորավուն ձևով և մոտ 5nm միջին տրամագծով մոնոդիսպերս պալադիումի մասնիկների ձևավորմանը։
- 3. Սակայն PVP/Pd(II) ցածր մոլային հարաբերակցությունը հանգեցնում է պալադիումի նանոմասնիկների ագրեգատների ստացմանը՝ չափերի լայն բաշխմամբ, որի կենտրոնը 20nm է։
Պալադիումի (II) իոնների՝ Pd(II) , մինչև պալադիումի ատոմներ՝ Pd(0) , սոնոքիմիական վերականգնման ուղին կարելի է ենթադրել հետևյալ կերպ.
- (1) Ջրի պիրոլիզ՝ H₂O → •OH+•H
- (2) Ռադիկալների առաջացում՝ RH (վերականգնիչ) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) Իոնների վերականգնում՝ Pd(II) + վերականգնող ռադիկալներ (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) Մասնիկների ձևավորում՝ nPd(0) → Pdn
Արդյունք. կախված PVP/Pd(II) հարաբերակցությունից՝ ստացվել են դիսպերսված կամ ագրեգացված Pdn մասնիկներ։
Պալադիումի սոնոքիմիական վերականգնում. a նմուշը (ձախից) պարունակում է մեծ քանակությամբ PVP, իսկ b նմուշը (աջից)՝ փոքր քանակությամբ PVP։ UP100H սարքով ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը՝ 180 min։ a նմուշում դիտվում են մոնոդիսպերս Pd նանոմասնիկներ, իսկ b նմուշում՝ ագրեգացված Pd նանոմասնիկներ։
Պատկերները և հետազոտությունը՝ ©Nemamcha և Rehspringer, 2008
Վերլուծություն և արդյունքներ
Ուլտրամանուշակագույն և տեսանելի տիրույթներում կլանման վերլուծությունները հաստատում են պալադիումի(II) իոնների՝ մինչև պալադիումի(0) ատոմներ սոնոքիմիական վերականգնման և ուլտրաձայնային դաշտում գտնվելու տևողության միջև կապը։ Պալադիումի(II) իոնների վերականգնումը մինչև պալադիումի(0) ատոմներ առաջ է ընթանում և կարող է ամբողջությամբ ավարտվել ուլտրաձայնային մշակման տևողության մեծացման հետ։ Տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակման (TEM) միկրոպատկերները ցույց են տալիս, որ.
- Երբ ավելացվում է մեծ քանակությամբ PVP, պալադիումի իոնների սոնոքիմիական վերականգնումը հանգեցնում է գնդաձև և մոտ 5nm միջին տրամագծով մոնոդիսպերս պալադիումի մասնիկների ձևավորմանը։
- Փոքր քանակությամբ PVP-ի օգտագործումը հանգեցնում է պալադիումի նանոմասնիկների ագրեգատների ստացմանը։ Լույսի դինամիկ ցրման (DLS) չափումները ցույց են տալիս, որ պալադիումի նանոմասնիկների ագրեգատներն ունեն չափերի լայն բաշխում, որի կենտրոնը 20nm է։
UP100H լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքը օգտագործվել է պալադիումի նանոմասնիկների պատրաստման համար։
Պալադիումի (Pd) նանոմասնիկները կարելի է պատրաստել ուլտրաձայնային մշակմամբ
Նախագծում, արտադրություն և խորհրդատվություն – Գերմանիայում արտադրված որակ
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հայտնի են որակի և նախագծման ամենաբարձր չափանիշներով։ Ամրությունը և շահագործման պարզությունը թույլ են տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերն անխափան ինտեգրել արդյունաբերական օբյեկտներում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը հեշտությամբ աշխատում են ծանր պայմաններում և բարձր պահանջներ առաջադրող միջավայրերում։
Hielscher Ultrasonics-ը ISO հավաստագրված ընկերություն է և հատուկ ուշադրություն է դարձնում բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային սարքերին, որոնք առանձնանում են արդիական տեխնոլոգիայով և օգտագործման հարմարավետությամբ։ Իհարկե, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը համապատասխանում են CE-ին և բավարարում են UL-ի, CSA-ի և RoHs-ի պահանջները։
Գրականություն/Հղումներ
- 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.
Օգտակար տեղեկություններ
Ի՞նչ է պալադիումը։
Պալադիումը հազվագյուտ, արծաթասպիտակ թանկարժեք մետաղ է՝ Pd քիմիական նշանով և 46 ատոմային համարով։ Այն պատկանում է պլատինային խմբի մետաղներին և գնահատվում է իր քիմիական կայունության, էլեկտրահաղորդականության, ջրածին կլանելու ունակության և որպես գերազանց կատալիզատոր գործելու համար։ Մանր բաժանված պալադիումը հատկապես արդյունավետ է հիդրման և ապահիդրման ռեակցիաներում, իսկ տաքացված պալադիումը կարող է թույլ տալ, որ ջրածինը դիֆուզվի իր միջով, ինչը այն օգտակար է դարձնում ջրածնի բաժանման և մաքրման համար։
Ինչի՞ համար են օգտագործվում պալադիումի նանոմասնիկները։
Պալադիումի նանոմասնիկները հիմնականում օգտագործվում են որպես մակերևույթի մեծ մակերես ունեցող կատալիզատորներ։ Քանի որ նանոմասնիկները տրամադրում են շատ ավելի մեծ ակտիվ մակերևույթ, քան հոծ պալադիումը, դրանք կարող են բարձրացնել կատալիզատորի արդյունավետությունը և նվազեցնել անհրաժեշտ թանկարժեք ազնիվ մետաղի քանակությունը։ Տիպիկ կիրառություններն ընդգրկում են քիմիական սինթեզը, հիդրման ռեակցիաները, ածխածին–ածխածին զուգակցման ռեակցիաները, էլեկտրակատալիզը, վառելիքային տարրերի հետազոտությունը, ջրածնի հայտնաբերումն ու պահեստավորումը, բնապահպանական կատալիզը և կենսաբժշկական հետազոտությունների որոշ ուղղություններ, օրինակ՝ հակամանրէային, ֆոտոթերմային և հակաքաղցկեղային համակարգերը։ Պալադիումի կատալիտիկ վարքագիծը մեծապես կախված է մասնիկների չափից, ձևաբանությունից և դիսպերսվածությունից։
Պալադիումի նանոմասնիկները նաև օգտագործվում են այլ մասնիկներ լեգիրելու համար՝ դրանց կատալիտիկ գործառույթներ հաղորդելու նպատակով։ Կարդացեք ավելին Pd/N-BCNT-ը որպես Ֆիշեր–Տրոպշի կատալիզատոր սինթեզելու ուլտրաձայնային ուղու մասին։
Արդյո՞ք պալադիումը թունավոր է։
Տարրական մետաղական պալադիումը սովորաբար համարվում է ցածր թունավորություն ունեցող և հայտնի կենսաբանական դեր չունեցող նյութ, սակայն պալադիումի միացությունների, աղերի, փոշիների և նանոմասշտաբային ձևերի հետ պետք է զգույշ վարվել։ Աշխատանքային կամ լաբորատոր պայմաններում ազդեցությունը կարող է առաջացնել գրգռում կամ զգայունացում՝ կախված միացությունից և ազդեցության ուղուց, իսկ պալադիումի քլորիդի լուծույթները, օրինակ, կարող են գրգռել լորձաթաղանթները։ Արդյունաբերական պայմաններում գործածության համար գործնական պատասխանը հետևյալն է. հոծ մետաղական պալադիումը համեմատաբար ցածր ռիսկային է, սակայն պալադիումի փոշիների, լուծելի աղերի և նանոմասնիկների հետ պետք է վարվել որպես պոտենցիալ վտանգավոր նյութերի՝ ապահովելով փոշու վերահսկում, օդափոխություն, ձեռնոցների և աչքերի պաշտպանության միջոցների օգտագործում ու թափոնների պատշաճ կառավարում։