Sonochemiczna redukcja nanocząstek palladu

Pallad (Pd) jest dobrze znany ze swoich funkcji katalitycznych, ale jest również często wykorzystywany w badaniach materiałowych i produkcji elektroniki, medycynie, oczyszczaniu wodoru i innych zastosowaniach chemicznych. Na drodze sonochemicznej można wytwarzać zarówno monodyspersyjne, jak i zagregowane nanocząstki palladu.

Ultradźwiękowa produkcja nanocząstek palladu

Nemamcha i Rehspringer zbadali sonochemiczną produkcję rozproszonych i zagregowanych nanocząstek palladu. W związku z tym, Pd(NO₃)₂ roztwór został poddany sonikacji za pomocą ultradźwiękowego homogenizatora laboratoryjnego UP100H w obecności glikolu etylenowego (EG) i poliwinylopirolidonu (PVP).

Procedura

Próbki zostały przygotowane w następujący sposób:
W przypadku próbek, mieszaniny 30 ml EG i 5-10^-6mol PVP wstępnie mieszano magnetycznie przez 15 minut. Dla różnych próbek, różne ilości Pd(NO₃)₂ dodano 1,5 ml i 2 ml roztworu. Mieszaniny próbek przygotowano w stosunku 2-10^-3mol Pd(NO₃)₂ w próbce (a) i 2,66-10^-3mol Pd(NO₃)₂ w próbce (b). Obie mieszaniny poddano działaniu ultradźwięków w fiolce o pojemności 20 ml przy użyciu ultrasonografu z sondą. Próbki pobierano po czasach sonikacji wynoszących 30, 60, 90, 120, 150 i 180 minut.

Analiza wyników eksperymentalnych pokazuje, że:

1. Sonochemiczna redukcja Pd(II) do Pd(0) zależy od czasu sonikacji.

2. Wysoki stosunek molowy PVP/Pd(II) prowadzi do powstawania monodyspersyjnych cząstek palladu o zaokrąglonym kształcie i średniej średnicy około 5 nm.

3. Jednak niski stosunek molowy PVP/Pd(II) wiąże się z otrzymywaniem agregatów nanocząstek palladu o dużym rozkładzie wielkości wyśrodkowanym na 20nm.

Sonochemiczna droga redukcji jonów palladu (II) Pd(II) do atomów palladu Pd(0) można przyjąć następująco:

• (1) Piroliza wodna: H₂O → -OH+-H
• (2) Tworzenie rodników: RH (czynnik redukujący) + -OH(-H) → -R + H₂O(H₂)
• (3) Redukcja jonów: Pd(II) + rodniki redukujące (-H, -R) → Pd(0) + R-CHO + H+
• (4) Tworzenie się cząstek: NPd(0) → Pdn

–> Wynik: W zależności od stosunku PVP/Pd(II), zdyspergowany lub zagregowany Pd_N zostały uzyskane.

Sonochemiczna redukcja palladu: próbka a (po lewej) zawiera dużą ilość PVP, próbka b (po prawej) małą ilość PVP. Czas sonikacji z UP100H: 180 min. Próbka a przedstawia mono-zdyspergowane nanocząstki Pd, próbka b zagregowane nanocząstki Pd. [Nemamcha; Rehspringer 2008].

Analiza i wyniki

Analizy absorpcji UV-widocznej potwierdzają zależność między sonochemiczną redukcją jonów palladu (II) do atomów palladu (0) a czasem retencji w polu ultradźwiękowym. Redukcja jonów palladu (II) do atomów palladu (0) postępuje i może być całkowicie osiągnięta wraz ze wzrostem czasu sonikacji. Mikrografy transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) pokazują, że:

1. 1. Po dodaniu dużej ilości PVP, sonochemiczna redukcja jonów palladu prowadzi do powstania monodyspersyjnych cząstek palladu o kulistym kształcie i średniej średnicy ok. 5 nm.
2. 2. Zastosowanie niewielkiej ilości PVP wiąże się z uzyskaniem agregatów nanocząstek palladu. Pomiary dynamicznego rozpraszania światła (DLS) ujawniają, że agregaty nanocząstek palladu mają duży rozkład wielkości wyśrodkowany na 20 nm.