Reduktimi sonokimik i nanogrimcave të paladiumit

Paladiumi (Pd) është i mirënjohur për vetitë e tij katalitike dhe përdoret gjithashtu gjerësisht në kërkimin mbi materialet, prodhimin e pajisjeve elektronike, mjekësi, pastrimin e hidrogjenit dhe aplikime të ndryshme kimike. Duke përdorur një rrugë sonokimike, madhësia dhe morfologjia e grimcave të paladiumit mund të kontrollohen duke rregulluar raportin PVP/Pd. Kjo mundëson sintezën me ultratinguj si të nanogrimcave shumë të imëta e monodisperse, ashtu edhe të agregateve më të mëdha të paladiumit, duke lejuar përshtatjen e përmasave të grimcave për performancë katalitike optimale.

Prodhimi me ultratinguj i nanogrimcave të paladiumit

Reduktimi me ultratinguj për përftimin e nanogrimcave të paladiumit ofron një rrugë të shpejtë dhe efikase në përdorimin e reagentëve për të përftuar nanogrimca Pd(0), duke përdorur kavitacionin akustik për të krijuar kushte të lokalizuara me energji të lartë dhe radikale reduktuese në tretësirë, çka mundëson reduktimin e joneve të paladiumit pa përpunimin konvencional në temperatura të larta.
Një përparësi kryesore është kontrolli i procesit: koha e sonikimit dhe përqendrimi i stabilizuesit, siç pasqyrohet nga raporti PVP/Pd, mund të ndikojnë nëse produkti formohet si nanogrimca të rrumbullakosura, të disperguara mirë, me madhësi rreth 5 nm apo si agregate më të mëdha me madhësi rreth 20 nm. Kjo ka rëndësi industriale, sepse performanca e paladiumit në katalizë varet shumë nga madhësia, morfologjia, dispergimi dhe sipërfaqja e grimcave. Meqenëse nanogrimcat e paladiumit kanë vlerë të madhe në një gamë të gjerë përdorimesh si katalizatorë heterogjenë, elektrokatalizatorë dhe materiale funksionale, reduktimi me ultratinguj është tërheqës për prodhimin e katalizatorëve Pd të disperguar imët në kushte relativisht të buta në fazë të lëngët, me përfitime të mundshme për sintezën kimike, katalizën mjedisore, teknologjitë e qelizave të karburantit dhe procese të tjera ku aktiviteti i lartë katalitik dhe përdorimi efikas i metaleve fisnike kanë rëndësi ekonomike.

Nemamcha dhe Rehspringer (2008) kanë hulumtuar prodhimin sonokimik të nanogrimcave të paladiumit të disperguara dhe të agreguara. Për këtë qëllim, një tretësirë Pd(NO₃)₂ është sonikuar me homogjenizuesin laboratorik me ultratinguj UP100H në prani të etilenglikolit (EG) dhe polivinilpirrolidonit (PVP).

Procedura e përgatitjes së mostrave

Mostrat u përgatitën si më poshtë:
Për mostrat, përzierje prej 30mL EG dhe 5·10^-6mol PVP u përgatitën me përzierje magnetike për 15 min. Për mostrat e ndryshme u shtuan sasi të ndryshme të tretësirës Pd(NO₃)₂, 1,5mL dhe 2mL. Përzierjet e mostrave u përgatitën me raportin prej 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ në mostrën (a) dhe 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ në mostrën (b). Të dyja përzierjet u sonikuan në një flakon 20mL duke përdorur një pajisje me ultratinguj të tipit me sondë. Mostrat u morën pas kohëve të sonikimit prej 30, 60, 90, 120, 150 dhe 180 min.

Analiza e rezultateve eksperimentale tregon se:

1. Reduktimi sonokimik i Pd(II) në Pd(0) varet nga koha e sonikimit.

2. Raporti i lartë molar PVP/Pd(II) çon në formimin e grimcave monodisperse të paladiumit me formë të rrumbullakosur dhe diametër mesatar rreth 5nm.

3. Megjithatë, raporti i ulët molar PVP/Pd(II) sjell përftimin e agregateve të nanogrimcave të paladiumit me një shpërndarje të gjerë të madhësive të përqendruar rreth 20nm.

Rruga sonokimike e reduktimit të joneve të paladiumit (II) Pd(II) në atome paladiumi Pd(0) mund të supozohet se është si më poshtë:

(1) Piroliza e ujit: H₂O → •OH+•H
(2) Formimi i radikaleve: RH (Agjent reduktues) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Reduktimi i joneve: Pd(II) + radikale reduktuese (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Formimi i grimcave: nPd(0) → Pdn

Rezultati: Në varësi të raportit PVP/Pd(II), Pd_n u përftua në formë të disperguar ose të agreguar.

Nanogrimca Pd monodisperse dhe të agreguara, të përftuara me reduktimin me ultratinguj të Pd(II)

Reduktimi sonokimik i paladiumit: mostra a (majtas) përmban një sasi të madhe PVP, ndërsa mostra b (djathtas) një sasi të vogël PVP. Koha e sonikimit me UP100H: 180 min. Mostra a shfaq nanogrimca monodisperse Pd, ndërsa mostra b nanogrimca të agreguara Pd.
Imazhet dhe studimi: ©Nemamcha dhe Rehspringer, 2008

Analiza dhe rezultatet

Analizat e përthithjes në spektrin UV dhe të dukshëm konfirmojnë lidhjen midis reduktimit sonokimik të joneve të paladiumit(II) në atome paladiumi(0) dhe kohës së qëndrimit në fushën ultrasonike. Reduktimi i joneve të paladiumit(II) në atome paladiumi(0) përparon dhe mund të arrihet plotësisht me rritjen e kohës së sonikimit. Mikrografitë e mikroskopisë elektronike të transmetimit (TEM) tregojnë se:

Kur shtohet një sasi e madhe PVP, reduktimi sonokimik i joneve të paladiumit çon në formimin e grimcave monodisperse të paladiumit me formë sferike dhe diametër mesatar afërsisht 5nm.
Përdorimi i një sasie të vogël PVP sjell përftimin e agregateve të nanogrimcave të paladiumit. Matjet e shpërndarjes dinamike të dritës (DLS) zbulojnë se agregatet e nanogrimcave të paladiumit kanë një shpërndarje të gjerë të madhësive të përqendruar rreth 20nm.

Kjo video e homogjenizuesit tejzanor UP100H paraqet konstruksionin e tij kompakt dhe përdorimet e shumëllojshme, si dispergimi, homogjenizimi, përzierja, degazimi ose emulsifikimi.

Projektim, prodhim dhe këshillim – Cilësi e prodhuar në Gjermani

Pajisjet me ultratinguj Hielscher janë të mirënjohura për standardet më të larta të cilësisë dhe projektimit. Qëndrueshmëria dhe përdorimi i lehtë lejojnë integrimin pa vështirësi të pajisjeve tona me ultratinguj në impiantet industriale. Pajisjet me ultratinguj Hielscher i përballojnë lehtësisht kushtet e ashpra dhe mjediset me kërkesa të larta.

Hielscher Ultrasonics është një kompani e certifikuar sipas ISO dhe i kushton vëmendje të veçantë pajisjeve me ultratinguj me performancë të lartë, që ofrojnë teknologjinë më të përparuar dhe lehtësi përdorimi. Sigurisht, pajisjet me ultratinguj Hielscher janë në përputhje me CE dhe përmbushin kërkesat e UL, CSA dhe RoHs.

Literatura/Referencat

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.

Tema të lidhura

Fakte që ia vlen të dini

Çfarë është paladiumi?

Paladiumi është një metal fisnik i rrallë, me ngjyrë të bardhë të argjendtë, me simbolin kimik Pd dhe numrin atomik 46. Ai bën pjesë në metalet e grupit të platinit dhe vlerësohet sepse është kimikisht i qëndrueshëm, përcjell elektricitetin, përthith hidrogjenin dhe vepron si një katalizator i shkëlqyer. Paladiumi i ndarë në grimca të imëta është veçanërisht efektiv për reaksionet e hidrogjenimit dhe dehidrogjenimit, ndërsa paladiumi i nxehur mund të lejojë që hidrogjeni të difuzojë përmes tij, gjë që e bën të dobishëm për ndarjen dhe pastrimin e hidrogjenit.

Për çfarë përdoren nanogrimcat e paladiumit?

Nanogrimcat e paladiumit përdoren kryesisht si katalizatorë me sipërfaqe të madhe. Meqenëse nanogrimcat ekspozojnë një sipërfaqe aktive shumë më të madhe sesa paladiumi në formë masive, ato mund të përmirësojnë efikasitetin e katalizatorit dhe të zvogëlojnë sasinë e nevojshme të metalit fisnik të kushtueshëm. Aplikimet tipike përfshijnë sintezën kimike, reaksionet e hidrogjenimit, reaksionet e çiftëzimit karbon–karbon, elektrokatalizën, kërkimin mbi qelizat e karburantit, zbulimin dhe ruajtjen e hidrogjenit, katalizën mjedisore dhe disa fusha të kërkimit biomjekësor, si sistemet antimikrobike, fototermike dhe kundër kancerit. Sjellja katalitike e paladiumit varet shumë nga madhësia, morfologjia dhe dispergimi i grimcave.
Nanogrimcat e paladiumit përdoren gjithashtu për dopimin e grimcave të tjera, me qëllim përftimin e funksionaliteteve katalitike. Lexoni më shumë rreth rrugës me ultratinguj për sintezën e Pd/N-BCNT si katalizator Fischer-Tropsch!

A është paladiumi toksik?

Paladiumi metalik elementar përgjithësisht konsiderohet se ka toksicitet të ulët dhe nuk ka ndonjë rol biologjik të njohur, por përbërjet, kripërat, pluhurat dhe format në shkallë nanometrike të paladiumit duhet të trajtohen me kujdes. Ekspozimi në punë ose në laborator mund të shkaktojë irritim ose sensibilizim në varësi të përbërjes dhe rrugës së ekspozimit; për shembull, tretësirat e klorurit të paladiumit mund të irritojnë mukozat. Për trajtimin industrial, përgjigjja praktike është: paladiumi metalik në formë masive paraqet rrezik relativisht të ulët, por pluhurat e paladiumit, kripërat e tretshme të paladiumit dhe nanogrimcat e paladiumit duhet të trajtohen si materiale potencialisht të rrezikshme, duke përdorur masa për kontrollin e pluhurit, ajrim, doreza, mbrojtje për sytë dhe trajtim të duhur të mbetjeve.