Сонохимическое восстановление с получением наночастиц палладия

Палладий (Pd) хорошо известен своими каталитическими свойствами и также широко используется в исследованиях материалов, производстве электроники, медицине, очистке водорода и различных химических процессах. При использовании сонохимического метода размером и морфологией частиц палладия можно управлять, изменяя соотношение PVP/Pd. Это позволяет посредством ультразвукового синтеза получать либо очень мелкие монодисперсные наночастицы, либо более крупные агрегаты палладия, подбирая размеры частиц для оптимальной каталитической эффективности.

Ультразвуковое получение наночастиц палладия

Ультразвуковое восстановление с получением наночастиц палладия представляет собой быстрый метод получения наночастиц Pd(0) с эффективным расходованием реагентов: акустическая кавитация создаёт локальные условия с высокой энергией и восстановительные радикалы в растворе, позволяя восстанавливать ионы палладия без традиционной высокотемпературной обработки.
Ключевое преимущество – управление процессом: время обработки ультразвуком и концентрация стабилизатора, например соотношение PVP/Pd, могут влиять на то, образуется ли продукт в виде хорошо диспергированных округлых наночастиц размером около 5 nm или более крупных агрегатов размером около 20 nm. Это имеет промышленное значение, поскольку эффективность палладия в катализе сильно зависит от размера, морфологии, дисперсности и площади поверхности частиц. Поскольку наночастицы палладия широко востребованы в качестве гетерогенных катализаторов, электрокатализаторов и функциональных материалов, ультразвуковое восстановление привлекательно для получения тонкодисперсных катализаторов на основе Pd в сравнительно мягких жидкофазных условиях. Это может принести пользу химическому синтезу, экологическому катализу, технологиям топливных элементов и другим процессам, в которых высокая каталитическая активность и эффективное использование благородного металла экономически важны.

Ультразвуковой аппарат UIP2000hdT для мощной обработки ультразвуком и оптимального управления процессом

Промышленная обработка наночастиц с помощью ультразвукового аппарата UIP2000hdT

Nemamcha и Rehspringer (2008) исследовали сонохимическое получение диспергированных и агрегированных наночастиц палладия. Для этого раствор Pd(NO₃)₂ обрабатывали ультразвуком с помощью лабораторного ультразвукового гомогенизатора UP100H в присутствии этиленгликоля (EG) и поливинилпирролидона (PVP).

Процедура подготовки образцов

Образцы готовили следующим образом:
Для образцов готовили смеси из 30mL EG и 5·10^-6mol PVP, перемешивая их магнитной мешалкой в течение 15 min. Для разных образцов добавляли разные объёмы раствора Pd(NO₃)₂: 1,5mL и 2mL. Смеси для образцов готовили с соотношением 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ в образце (a) и 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ в образце (b). Обе смеси обрабатывали ультразвуком во флаконе объёмом 20mL с помощью ультразвукового аппарата зондового типа. Пробы отбирали после обработки ультразвуком в течение 30, 60, 90, 120, 150 и 180 min.

Анализ экспериментальных результатов показывает, что:

1. Сонохимическое восстановление Pd(II) до Pd(0) зависит от времени обработки ультразвуком.

2. Высокое молярное соотношение PVP/Pd(II) приводит к образованию монодисперсных частиц палладия округлой формы со средним диаметром около 5nm.

3. Однако низкое молярное соотношение PVP/Pd(II) приводит к получению агрегатов наночастиц палладия с широким распределением размеров, центрированным на 20nm.

Можно предположить следующую схему сонохимического восстановления ионов палладия (II) Pd(II) до атомов палладия Pd(0) :

(1) Пиролиз воды: H₂O → •OH+•H
(2) Образование радикалов: RH (восстановитель) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Восстановление ионов: Pd(II) + восстановительные радикалы (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Образование частиц: nPd(0) → Pdn

Результат: в зависимости от соотношения PVP/Pd(II) получали диспергированные или агрегированные Pd_n .

Монодисперсные и агрегированные наночастицы Pd, полученные ультразвуковым восстановлением Pd(II)

Сонохимическое восстановление палладия: образец a (слева) содержит большое количество PVP, образец b (справа) – малое количество PVP. Время обработки ультразвуком с помощью UP100H: 180 min. В образце a наблюдаются монодисперсные наночастицы Pd, в образце b – агрегированные наночастицы Pd.
Изображения и исследование: ©Nemamcha и Rehspringer, 2008

Анализ и результаты

Анализ поглощения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра подтверждает связь между сонохимическим восстановлением ионов палладия(II) до атомов palladium(0) и временем пребывания в ультразвуковом поле. Восстановление ионов палладия(II) до атомов palladium(0) протекает постепенно и может быть полностью завершено при увеличении времени обработки ультразвуком. Микрофотографии, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM), показывают, что:

При добавлении большого количества PVP сонохимическое восстановление ионов палладия приводит к образованию монодисперсных частиц палладия сферической формы со средним диаметром приблизительно 5nm.
Использование небольшого количества PVP приводит к получению агрегатов наночастиц палладия. Измерения методом динамического рассеяния света (DLS) показывают, что агрегаты наночастиц палладия имеют широкое распределение размеров, центрированное на 20nm.

Наноразмерные частицы были получены Nemamcha и соавт. (2008) посредством сонохимического восстановления Pd(II) до Pd(0)

Лабораторный ультразвуковой аппарат UP100H использовался для получения наночастиц палладия.

Сонохимия: ультразвуковое восстановление палладия

Наночастицы палладия (Pd) можно получать посредством обработки ультразвуком

Запросите дополнительную информацию

Пожалуйста, воспользуйтесь формой ниже, чтобы запросить дополнительную информацию о соникаторах для синтеза наночастиц, рекомендациях по применению и ценах. Мы будем рады обсудить с Вами Ваш процесс обработки наночастиц и предложить Вам оптимальный соникатор, отвечающий Вашим потребностям!

Адрес электронной почты (обязательно)

Номер телефона

Имя

Область интереса

В этом видео показаны компактная конструкция ультразвукового гомогенизатора UP100H и его разнообразные применения, включая диспергирование, гомогенизацию, смешивание, дегазацию и эмульгирование.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своим высочайшим качеством и высочайшими стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации обеспечивают беспроблемную интеграцию наших ультразвуковых аппаратов в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями эксплуатации и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и отвечают требованиям UL, CSA и RoHs.

Литература / ссылки

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.

Связанные темы

Полезные сведения

Что такое палладий?

Палладий – редкий серебристо-белый драгоценный металл с химическим символом Pd и атомным номером 46. Он относится к металлам платиновой группы и ценится за химическую стабильность, электропроводность, способность поглощать водород и действовать как превосходный катализатор. Мелкодисперсный палладий особенно эффективен в реакциях гидрирования и дегидрирования, а нагретый палладий может пропускать водород посредством диффузии, что делает его полезным для выделения и очистки водорода.

Для чего используются наночастицы палладия?

Наночастицы палладия используются главным образом в качестве катализаторов с большой площадью поверхности. Поскольку доступная активная поверхность наночастиц значительно больше, чем у массивного палладия, они могут повышать эффективность катализатора и снижать необходимое количество дорогостоящего благородного металла. Типичные области применения включают химический синтез, реакции гидрирования, реакции сочетания с образованием связей углерод–углерод, электрокатализ, исследования топливных элементов, обнаружение и хранение водорода, экологический катализ и некоторые направления биомедицинских исследований, такие как антимикробные, фототермические и противораковые системы. Каталитические свойства палладия сильно зависят от размера, морфологии и дисперсности частиц.
Наночастицы палладия также используют для легирования других частиц с целью придания им каталитических свойств. Узнайте больше об ультразвуковом методе синтеза Pd/N-BCNT в качестве катализатора Фишера–Тропша!

Токсичен ли палладий?

Элементарный металлический палладий обычно считается малотоксичным и не имеет известной биологической роли, однако с соединениями, солями, пылью и наноразмерными формами палладия следует обращаться осторожно. Воздействие в производственных или лабораторных условиях может вызывать раздражение или сенсибилизацию в зависимости от соединения и пути воздействия; например, растворы хлорида палладия могут раздражать слизистые оболочки. С практической точки зрения при промышленном обращении массивный металлический палладий представляет относительно низкий риск, однако порошки палладия, растворимые соли палладия и наночастицы палладия следует рассматривать как потенциально опасные материалы, обеспечивая контроль пылеобразования, вентиляцию, использование перчаток и средств защиты глаз, а также надлежащее обращение с отходами.