პალადიუმის ნანონაწილაკების სონოქიმიური აღდგენა
პალადიუმი (Pd) ცნობილია თავისი კატალიზური თვისებებით და ფართოდ გამოიყენება მასალათა კვლევაში, ელექტრონიკის წარმოებაში, მედიცინაში, წყალბადის გასუფთავებასა და სხვადასხვა ქიმიურ დანიშნულებებში. სონოქიმიური გზის გამოყენებით, პალადიუმის ნაწილაკების ზომა და მორფოლოგია შეიძლება კონტროლდებოდეს PVP/Pd თანაფარდობის კორექტირებით. ეს საშუალებას იძლევა, ულტრაბგერითი სინთეზის გზით მიღებული იქნეს ძალიან წვრილი, მონოდისპერსიული ნანონაწილაკები ან უფრო დიდი პალადიუმის აგრეგატები, რაც ნაწილაკების ზომების ოპტიმალური კატალიზური ეფექტურობისთვის მორგებას იძლევა.
პალადიუმის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი წარმოება
პალადიუმის ნანონაწილაკების ულტრაბგერითი აღდგენა სთავაზობს Pd(0) ნანონაწილაკების მიღების სწრაფ, რეაგენტების ეფექტურად მომხმარებელ გზას, აკუსტიკური კავიტაციის გამოყენებით, რომელიც ქმნის ლოკალიზებულ მაღალენერგიულ პირობებს და აღმდგენ რადიკალებს ხსნარში, რაც საშუალებას იძლევა, პალადიუმის იონები აღდგეს ტრადიციული მაღალტემპერატურული დამუშავების გარეშე.
ძირითადი უპირატესობა პროცესის კონტროლია: ულტრაბგერითი დამუშავების დრო და სტაბილიზატორის კონცენტრაცია, როგორიცაა PVP/Pd თანაფარდობა, შეიძლება გავლენა იქონიოს იმაზე, მიიღება თუ არა პროდუქტი კარგად დისპერსირებული, მომრგვალებული ნანონაწილაკების სახით დაახლოებით 5 nm ზომით, ან უფრო დიდი აგრეგატების სახით დაახლოებით 20 nm ზომით, რაც მრეწველობრივად მნიშვნელოვანია, რადგან პალადიუმის ეფექტურობა კატალიზში მკვეთრად არის დამოკიდებული ნაწილაკების ზომაზე, მორფოლოგიაზე, დისპერსიასა და ზედაპირის ფართობზე. რადგან პალადიუმის ნანონაწილაკები ფართოდ ფასდება როგორც ჰეტეროგენული კატალიზატორები, ელექტროკატალიზატორები და ფუნქციური მასალები, ულტრაბგერითი აღდგენა მიმზიდველია წვრილად დისპერსირებული Pd კატალიზატორების წარმოებისთვის შედარებით რბილ თხევადფაზიან პირობებში, პოტენციური სარგებლით ქიმიური სინთეზისთვის, გარემოსდაცვითი კატალიზისთვის, საწვავის ელემენტების ტექნოლოგიებისთვის და სხვა პროცესებისთვის, სადაც მაღალი კატალიზური აქტივობა და ძვირფასი ლითონების ეფექტური გამოყენება ეკონომიკურად მნიშვნელოვანია.
ნანონაწილაკების მრეწველობრივი დამუშავება სონიკატორ UIP2000hdT-ის გამოყენებით
ნიმუშების მომზადების პროცედურა
ნიმუშები მომზადდა შემდეგნაირად:
ნიმუშებისთვის, EG-ის 30mL-ისა და PVP-ის 5·10-6mol-ის ნარევები მომზადდა მაგნიტური აღრევით 15 წთ-ის განმავლობაში. სხვადასხვა ნიმუშისთვის, სხვადასხვა რაოდენობის Pd(NO₃)₂ ხსნარი, 1,5mL და 2mL, დაემატა. ნიმუშების ნარევები მომზადდა თანაფარდობით 2·10-3mol Pd(NO₃)₂ (a) ნიმუშში და 2,66·10-3mol Pd(NO₃)₂ (b) ნიმუშში. ორივე ნარევი დამუშავდა ულტრაბგერითი პრობის ტიპის სონიკატორით 20mL ფლაკონში. ნიმუშები აღებული იქნა ულტრაბგერითი დამუშავების 30, 60, 90, 120, 150 და 180 წთ-ის შემდეგ.
ექსპერიმენტული შედეგების ანალიზი აჩვენებს, რომ:
- 1. Pd(II)-ის Pd(0)-ში სონოქიმიური აღდგენა დამოკიდებულია ულტრაბგერითი დამუშავების დროზე.
- 2. მაღალი PVP/Pd(II) მოლური თანაფარდობა იწვევს მონოდისპერსიული პალადიუმის ნაწილაკების წარმოქმნას, რომლებსაც აქვთ მომრგვალებული ფორმა და დაახლოებით 5nm საშუალო დიამეტრი.
- 3. თუმცა, დაბალი PVP/Pd(II) მოლური თანაფარდობა გულისხმობს აგრეგირებული პალადიუმის ნანონაწილაკების მიღებას, რომლებსაც აქვთ დიდი ზომის განაწილება, ცენტრირებული 20nm-ზე.
პალადიუმის (II) იონების Pd(II) პალადიუმის ატომებად Pd(0) სონოქიმიური აღდგენის გზა შეიძლება ჩაითვალოს შემდეგნაირად:
- (1) წყლის პიროლიზი: H₂O → •OH+•H
- (2) რადიკალების წარმოქმნა: RH (აღმდგენი) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) იონების აღდგენა: Pd(II) + აღმდგენი რადიკალები (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) ნაწილაკების წარმოქმნა: nPd(0) → Pdn
შედეგი: PVP/Pd(II) თანაფარდობის მიხედვით, მიღებული იქნა დისპერსირებული ან აგრეგირებული Pdn .
პალადიუმის სონოქიმიური აღდგენა: (a) ნიმუში (მარცხნივ) შეიცავს PVP-ის მაღალ რაოდენობას, (b) ნიმუში (მარჯვნივ) – PVP-ის დაბალ რაოდენობას. ულტრაბგერითი დამუშავების დრო UP100H-ით: 180 წთ. (a) ნიმუში აჩვენებს მონოდისპერსირებულ Pd ნანონაწილაკებს, (b) ნიმუში – აგრეგირებულ Pd ნანონაწილაკებს.
გამოსახულებები და კვლევა: ©Nemamcha and Rehspringer, 2008
ანალიზი და შედეგები
UV-ხილული შთანთქმის ანალიზები ადასტურებს კავშირს პალადიუმის(II) იონების პალადიუმის(0) ატომებად სონოქიმიურ აღდგენასა და ულტრაბგერით ველში ყოფნის დროს შორის. პალადიუმის(II) იონების პალადიუმის(0) ატომებად აღდგენა მიმდინარეობს და შეიძლება სრულად მიღწეულ იქნეს ულტრაბგერითი დამუშავების დროის მატებასთან ერთად. გამტარი ელექტრონული მიკროსკოპიის (TEM) მიკროგრაფები აჩვენებს, რომ:
- როდესაც PVP-ის მაღალი რაოდენობა ემატება, პალადიუმის იონების სონოქიმიური აღდგენა იწვევს მონოდისპერსიული პალადიუმის ნაწილაკების წარმოქმნას სფერული ფორმით და დაახლოებით 5nm საშუალო დიამეტრით.
- PVP-ის მცირე რაოდენობის გამოყენება გულისხმობს აგრეგირებული პალადიუმის ნანონაწილაკების მიღებას. დინამიური სინათლის გაბნევის (DLS) გაზომვები აჩვენებს, რომ პალადიუმის ნანონაწილაკების აგრეგატებს აქვთ დიდი ზომის განაწილება, ცენტრირებული 20nm-ზე.
ლაბორატორიული სონიკატორი UP100H გამოიყენებოდა პალადიუმის ნანონაწილაკების მოსამზადებლად.
პალადიუმის (Pd) ნანონაწილაკები შეიძლება მომზადდეს ულტრაბგერითი დამუშავებით
დიზაინი, წარმოება და კონსულტირება – ხარისხი, დამზადებულია გერმანიაში
Hielscher-ის ულტრაბგერითი სონიკატორები ცნობილია თავიანთი უმაღლესი ხარისხითა და დიზაინის სტანდარტებით. გამძლეობა და მარტივი ექსპლუატაცია საშუალებას იძლევა, ჩვენი ულტრაბგერითი სონიკატორები მარტივად ინტეგრირდეს მრეწველობრივ ობიექტებში. მკაცრი პირობები და მოთხოვნადი გარემო Hielscher-ის ულტრაბგერითი სონიკატორებისთვის მარტივად მართვადია.
Hielscher Ultrasonics არის ISO სერტიფიცირებული კომპანია და განსაკუთრებულ ყურადღებას უთმობს მაღალეფექტურ ულტრაბგერით სონიკატორებს, რომლებიც მუშაობენ თანამედროვე ტექნოლოგიებით და მომხმარებლისთვის მარტივია. რა თქმა უნდა, Hielscher-ის ულტრაბგერითი სონიკატორები შეესაბამება CE სტანდარტებს და აკმაყოფილებენ UL, CSA და RoHs მოთხოვნებს.
ლიტერატურა/რეფერატები
- 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.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
რა არის პალადიუმი?
პალადიუმი არის იშვიათი, ვერცხლისფერ-თეთრი ძვირფასი ლითონი ქიმიური სიმბოლოთი Pd და ატომური ნომრით 46. ის ეკუთვნის პლატინის ჯგუფის ლითონებს და ფასდება, რადგან ქიმიურად სტაბილურია, ატარებს ელექტროენერგიას, შთანთქავს წყალბადს და მოქმედებს როგორც შესანიშნავი კატალიზატორი. წვრილად დაფშვნილი პალადიუმი განსაკუთრებით ეფექტურია ჰიდრირებისა და დეჰიდრირების რეაქციებისთვის, და გაცხელებული პალადიუმი შეიძლება საშუალებას მისცეს წყალბადს გაიაროს მასში, რაც მას სასარგებლოს ხდის წყალბადის სეპარაციისა და გასუფთავებისთვის.
რა დანიშნულებით გამოიყენება პალადიუმის ნანონაწილაკები?
პალადიუმის ნანონაწილაკები ძირითადად გამოიყენება როგორც მაღალი ზედაპირის ფართობის კატალიზატორები. რადგან ნანონაწილაკები ავლენენ ბევრად მეტ აქტიურ ზედაპირის ფართობს, ვიდრე მასიური პალადიუმი, ისინი შეიძლება გაზარდონ კატალიზატორის ეფექტურობა და შეამცირონ საჭირო ძვირფასი ლითონის რაოდენობა. ტიპური დანიშნულებები მოიცავს ქიმიურ სინთეზს, ჰიდრირების რეაქციებს, ნახშირბად–ნახშირბადის შეერთების რეაქციებს, ელექტროკატალიზს, საწვავის ელემენტების კვლევას, წყალბადის სენსორებსა და შენახვას, გარემოსდაცვით კატალიზს და ზოგიერთ ბიომედიცინურ კვლევით სფეროს, როგორიცაა ანტიმიკრობული, ფოტოთერმული და ანტიკანცეროგენული სისტემები. პალადიუმის კატალიზური ქცევა მკვეთრად არის დამოკიდებული ნაწილაკების ზომაზე, მორფოლოგიასა და დისპერსიაზე.
პალადიუმის ნანონაწილაკები ასევე გამოიყენება სხვა ნაწილაკების დოპირებისთვის კატალიზური ფუნქციების მისაღწევად. გაიგეთ მეტი Pd/N-BCNT-ის სინთეზის ულტრაბგერითი გზის შესახებ როგორც Fischer-Tropsch კატალიზატორის!
არის თუ არა პალადიუმი ტოქსიკური?
ელემენტარული მეტალური პალადიუმი ზოგადად განიხილება როგორც დაბალი ტოქსიკურობის მქონე და ცნობილი ბიოლოგიური როლის გარეშე, მაგრამ პალადიუმის ნაერთები, მარილები, მტვრები და ნანომეტრული ფორმები უნდა მოხმარდეს ფრთხილად. პროფესიული ან ლაბორატორიული ექსპოზიცია შეიძლება გამოიწვიოს გამაღიზიანებელი ან სენსიბილიზაციის ეფექტები ნაერთისა და ექსპოზიციის გზის მიხედვით, და მაგალითად, პალადიუმის ქლორიდის ხსნარები შეიძლება აღიზიანებდნენ ლორწოვან გარსებს. მრეწველობრივი მოხმარებისთვის, პრაქტიკული პასუხია: მასიური მეტალური პალადიუმი შედარებით დაბალი რისკის მქონეა, მაგრამ პალადიუმის ფხვნილები, ხსნადი პალადიუმის მარილები და პალადიუმის ნანონაწილაკები უნდა განიხილებოდეს როგორც პოტენციურად საშიში მასალები, მტვრის კონტროლით, ვენტილაციით, ხელთათმანებით, თვალის დაცვით და სწორი ნარჩენების მართვით.