Reduksi Sonokimia Nanopartikel Paladium

Paladium (Pd) dikenal luas karena sifat katalitiknya dan juga banyak digunakan dalam penelitian material, manufaktur elektronik, kedokteran, pemurnian hidrogen, dan berbagai aplikasi kimia. Melalui jalur sonokimia, ukuran dan morfologi partikel paladium dapat dikendalikan dengan menyesuaikan rasio PVP/Pd. Hal ini memungkinkan sintesis ultrasonik nanopartikel monodispersi yang sangat halus atau agregat paladium yang lebih besar, sehingga dimensi partikel dapat disesuaikan untuk mencapai kinerja katalitik yang optimal.

Produksi Nanopartikel Paladium secara Ultrasonik

Reduksi nanopartikel paladium secara ultrasonik menawarkan jalur yang cepat dan hemat reagen untuk menghasilkan nanopartikel Pd(0) dengan menggunakan kavitasi akustik untuk menciptakan kondisi lokal berenergi tinggi dan radikal pereduksi dalam larutan, sehingga ion paladium dapat direduksi tanpa pemrosesan konvensional bersuhu tinggi.
Keunggulan utamanya adalah kendali proses: waktu sonikasi dan konsentrasi penstabil, seperti rasio PVP/Pd, dapat memengaruhi apakah produk terbentuk sebagai nanopartikel membulat yang terdispersi dengan baik berukuran sekitar 5 nm atau sebagai agregat yang lebih besar berukuran sekitar 20 nm. Hal ini relevan bagi industri karena kinerja paladium dalam katalisis sangat bergantung pada ukuran partikel, morfologi, dispersi, dan luas permukaan. Karena nanopartikel paladium memiliki kegunaan luas sebagai katalis heterogen, elektrokatalis, dan material fungsional, reduksi ultrasonik menjadi pilihan menarik untuk menghasilkan katalis Pd yang terdispersi halus dalam kondisi fase cair yang relatif ringan, dengan potensi manfaat bagi sintesis kimia, katalisis lingkungan, teknologi sel bahan bakar, dan proses lain yang menganggap aktivitas katalitik tinggi serta pemanfaatan logam mulia yang efisien sebagai faktor ekonomi penting.

Nemamcha dan Rehspringer (2008) telah meneliti produksi nanopartikel paladium yang terdispersi dan teragregasi secara sonokimia. Untuk itu, larutan Pd(NO₃)₂ disonikasi menggunakan homogenizer ultrasonik laboratorium UP100H dengan adanya etilena glikol (EG) dan polivinilpirolidon (PVP).

Prosedur Preparasi Sampel

Sampel disiapkan sebagai berikut:
Untuk sampel, campuran 30mL EG dan 5·10^-6mol PVP disiapkan melalui pengadukan magnetik selama 15 min. Untuk sampel yang berbeda, ditambahkan larutan Pd(NO₃)₂ dengan jumlah berbeda, yaitu 1,5mL dan 2mL. Campuran sampel disiapkan dengan rasio 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ dalam sampel (a) dan 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ dalam sampel (b). Kedua campuran disonikasi dalam vial 20mL menggunakan ultrasonikator tipe probe. Sampel diambil setelah waktu sonikasi 30, 60, 90, 120, 150, dan 180 min.

Analisis hasil eksperimen menunjukkan bahwa:

1. Reduksi sonokimia Pd(II) menjadi Pd(0) bergantung pada waktu sonikasi.

2. Rasio molar PVP/Pd(II) yang tinggi menghasilkan pembentukan partikel paladium monodispersi dengan bentuk membulat dan diameter rata-rata sekitar 5nm.

3. Namun, rasio molar PVP/Pd(II) yang rendah menghasilkan agregat nanopartikel paladium dengan distribusi ukuran yang lebar dan berpusat pada 20nm.

Jalur sonokimia untuk mereduksi ion paladium (II) Pd(II) menjadi atom paladium Pd(0) dapat diasumsikan sebagai berikut:

(1) Pirolisis air: H₂O → •OH+•H
(2) Pembentukan radikal: RH (Agen pereduksi) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Reduksi ion: Pd(II) + radikal pereduksi (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Pembentukan partikel: nPd(0) → Pdn

Hasil: Bergantung pada rasio PVP/Pd(II), diperoleh Pd_n yang terdispersi atau teragregasi.

Nanopartikel Pd monodispersi dan teragregasi yang diperoleh melalui reduksi ultrasonik Pd(II)

Reduksi sonokimia paladium: sampel a (kiri) mengandung PVP dalam jumlah tinggi, sedangkan sampel b (kanan) mengandung PVP dalam jumlah rendah. Waktu sonikasi dengan UP100H: 180 min. Sampel a menunjukkan nanopartikel Pd monodispersi, sedangkan sampel b menunjukkan nanopartikel Pd yang teragregasi.
Gambar dan penelitian: ©Nemamcha dan Rehspringer, 2008

Analisis dan Hasil

Analisis absorpsi UV-tampak mengonfirmasi hubungan antara reduksi sonokimia ion paladium(II) menjadi atom paladium(0) dan waktu retensi dalam medan ultrasonik. Reduksi ion paladium(II) menjadi atom paladium(0) berlangsung secara bertahap dan dapat tercapai sepenuhnya seiring bertambahnya waktu sonikasi. Mikrograf dari mikroskopi elektron transmisi (TEM) menunjukkan bahwa:

Ketika PVP ditambahkan dalam jumlah tinggi, reduksi sonokimia ion paladium menghasilkan pembentukan partikel paladium monodispersi berbentuk bola dengan diameter rata-rata sekitar 5nm.
Penggunaan PVP dalam jumlah kecil menghasilkan agregat nanopartikel paladium. Pengukuran hamburan cahaya dinamis (DLS) mengungkapkan bahwa agregat nanopartikel paladium memiliki distribusi ukuran yang lebar dan berpusat pada 20nm.

Video homogenizer ultrasonik UP100H ini menampilkan desainnya yang ringkas dan berbagai aplikasinya, seperti pendispersian, homogenisasi, pencampuran, penghilangan gas, atau emulsifikasi.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonikator Hielscher dikenal karena standar kualitas dan desainnya yang tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasian memungkinkan integrasi ultrasonikator kami ke dalam fasilitas industri secara lancar. Kondisi berat dan lingkungan yang menuntut dapat ditangani dengan mudah oleh ultrasonikator Hielscher.

Hielscher Ultrasonics adalah perusahaan bersertifikasi ISO yang memberikan perhatian khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi dengan teknologi mutakhir dan kemudahan penggunaan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher mematuhi CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Literatur/Referensi

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.

Topik Terkait

Fakta yang Perlu Diketahui

Apa Itu Paladium?

Paladium adalah logam mulia langka berwarna putih keperakan dengan simbol kimia Pd dan nomor atom 46. Paladium termasuk dalam kelompok logam platina dan bernilai karena stabil secara kimia, menghantarkan listrik, menyerap hidrogen, dan berperan sebagai katalis yang sangat baik. Paladium dalam bentuk partikel halus sangat efektif untuk reaksi hidrogenasi dan dehidrogenasi, dan paladium yang dipanaskan dapat memungkinkan hidrogen berdifusi melaluinya, sehingga berguna untuk pemisahan dan pemurnian hidrogen.

Untuk Apa Nanopartikel Paladium Digunakan?

Nanopartikel paladium terutama digunakan sebagai katalis dengan luas permukaan tinggi. Karena nanopartikel menyediakan jauh lebih banyak luas permukaan aktif dibandingkan paladium dalam bentuk masif, nanopartikel dapat meningkatkan efisiensi katalis dan mengurangi jumlah logam mulia mahal yang dibutuhkan. Aplikasi umumnya meliputi sintesis kimia, reaksi hidrogenasi, reaksi kopling karbon–karbon, elektrokatalisis, penelitian sel bahan bakar, pengindraan dan penyimpanan hidrogen, katalisis lingkungan, serta beberapa bidang penelitian biomedis seperti sistem antimikroba, fototermal, dan antikanker. Perilaku katalitik paladium sangat bergantung pada ukuran partikel, morfologi, dan dispersi.
Nanopartikel paladium juga digunakan sebagai dopan untuk partikel lain guna memberikan fungsi katalitik. Baca lebih lanjut tentang jalur ultrasonik untuk menyintesis Pd/N-BCNT sebagai katalis Fischer-Tropsch!

Apakah Paladium Beracun?

Paladium dalam bentuk logam elemental umumnya dianggap memiliki toksisitas rendah dan tidak memiliki peran biologis yang diketahui, tetapi senyawa, garam, debu, dan bentuk paladium berskala nano harus ditangani dengan hati-hati. Paparan di tempat kerja atau laboratorium dapat menyebabkan iritasi atau sensitisasi bergantung pada senyawa dan jalur paparannya, dan larutan paladium klorida, misalnya, dapat mengiritasi membran mukosa. Untuk penanganan industri, jawaban praktisnya adalah: logam paladium dalam bentuk masif memiliki risiko yang relatif rendah, tetapi serbuk paladium, garam paladium yang larut, dan nanopartikel paladium harus diperlakukan sebagai bahan yang berpotensi berbahaya, dengan pengendalian debu, ventilasi, sarung tangan, pelindung mata, dan penanganan limbah yang tepat.