Сонохемијска редукција наночестица паладијума

Паладијум (Пд) је познат по својим каталитичким својствима и такође се широко користи у истраживању материјала, производњи електронике, медицини, пречишћавању водоника и разним хемијским апликацијама. Користећи сонохемијски пут, величина и морфологија честица паладијума може се контролисати подешавањем ПВП / Пд односа. Ово омогућава ултразвучну синтезу било врло финих, монодисперзних наночестица или већих агрегата паладијума, омогућавајући димензије честица да буду прилагођене за оптималне каталитичке перформансе.

Ултразвучна производња наночестица паладијума

Ultrasonic palladium nanoparticle reduction offers a fast, reagent-efficient route to Pd(0) nanoparticles by using acoustic cavitation to generate localized high-energy conditions and reducing radicals in solution, enabling palladium ions to be reduced without conventional high-temperature processing.
A key advantage is process control: sonication time and stabilizer concentration, such as the PVP/Pd ratio, can influence whether the product forms as well-dispersed, rounded nanoparticles around 5 nm or as larger aggregates around 20 nm, which is industrially relevant because palladium performance in catalysis depends strongly on particle size, morphology, dispersion, and surface area. Since palladium nanoparticles are widely valuable as heterogeneous catalysts, electrocatalysts, and functional materials, ultrasonic reduction is attractive for producing finely dispersed Pd catalysts under comparatively mild liquid-phase conditions, with potential benefits for chemical synthesis, environmental catalysis, fuel-cell technologies, and other processes where high catalytic activity and efficient noble-metal utilization are economically important.

Немамча и Рехспрингер (2008) су истраживали сонохемијску производњу диспергованих и агрегираних паладијум наночестица. Стога је Pd(NO₃)₂ раствор сонициран ултразвучним лабораторијским хомогенизатором UP100H у присуству етилен гликола (EG) и поливинилпирролидона (PVP).

Процедура припреме узорака

Узорци су припремљени на следећи начин:
За узорке, мешавине од 30мЛ ЕГ и 5·10^-6мол PVP је припремљен мешањем на магнетној мешалици 15 минута. За различите узорке, додате су различите количине Pd(NO₃)₂ раствора, 1,5 mL и 2 mL. Мешавине узорака су припремљене у односу 2·10^-3мол Pd(NO₃)₂ у узорку (a) и 2,66·10^-3мол Пд(НО ₃)₂ у узорку (б). Обе смеше су соникиране у бочици од 20 мл помоћу ултразвучника типа сонде. Самплес wере такен афтер соницатион тимес оф 30, 60, 90, 120, 150, анд 180 мин.

Анализа експерименталних резултата показује да:

1. Сонохемијска редукција Пд(ИИ) у Пд(0) зависи од времена соникације.

2. Висок моларни однос ПВП/Пд(ИИ) доводи до формирања монодисперзних честица паладијума заобљеног облика и средњег пречника од око 5 нм.

3. Међутим, низак моларни однос ПВП/Пд(ИИ) укључује добијање агрегата наночестица паладијума са великом расподелом величине са центром на 20нм.

Сонохемијски пут редукције јона паладијума (ИИ). Пд(ИИ) до атома паладијума Пд(0) може се претпоставити да је следеће:

(1) Wатер пyролyсис: Х ₂ О → •ОХ +•Х
(2) Радицал форматион: РХ(Редуцинг агент) + •ОХ(•Х) → •Р + Х ₂ О(Х ₂)
(3) Редукција јона: Пд(ИИ) + редукциони радикали (•Х, •Р) → Пд(0) + Р•ЦХО + Х+
(4) Формирање честица: НПд(0) → Пдн

Резултат: У зависности од ПВП/Пд(ИИ) односа, дисперговани или агрегирани Пд_Н добијено.

Моно дисперговане и агрегиране наночестице Пд добијене ултразвучном редукцијом Пд(ИИ)

Соноцхемицал редуцтион оф Палладиум: сампле а (лефт) цонтаинс а ларге амоунт оф ПВП, сампле б (ригхт) а смалл амоунт оф ПВП. Време ултразвука са UP100H: 180 мин. Узорак а показује моно диспергиране Пд нано честице, узорак б агрегиране Пд нано честице.
Имагес анд студy: © Немамцха анд Рехспрингер, 2008

Анализа и резултати

УВ-видљиве апсорпционе анализе потврђују везу између сонохемијске редукције јона паладијума(ИИ) на атоме паладијума(0) и времена задржавања у ултразвучном пољу. Редукција јона паладијума(ИИ) на атоме паладијума(0) напредује и може се у потпуности постићи са повећањем времена соникације. Микрограми трансмисионе електронске микроскопије (ТЕМ) показују да:

Када се додат високи износ PVP-а, сонохемијско смањење јона паладијума доводи до формирања моно-дисперзних паладијумских честица сферног облика и просечног пречника од око 5 нм.
Коришћење мале количине PVP-а доводи до настанка агрегата паладијумских наночестица. Мерења динамичког расејавања светлости (DLS) показују да агрегати паладијумских наночестица имају широк распон величина са средишњом вредношћу око 20 нм.

Овај видео УП100Х ултразвучног хомогенизатора показује његов компактан дизајн и разноврсне примене, као што су дисперговање, хомогенизација, мешање, дегазирање или емулговање.

Дизајн, производња и консалтинг – Квалитет Маде ин Германи

Хиелсцхер ултрасоникатори су познати по свом највишем квалитету и стандардима дизајна. Робусност и једноставан рад омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних апарата у индустријске објекте. Хиелсцхер ултрасоникатори се лако носе са тешким условима и захтевним окружењима.

Хиелсцхер Ултрасоницс је ИСО сертификована компанија и ставља посебан нагласак на ултрасоникаторе високих перформанси са најсавременијом технологијом и једноставношћу за коришћење. Наравно, Хиелсцхер ултрасоникатори су усаглашени са ЦЕ и испуњавају захтеве УЛ, ЦСА и РоХ.

Литература/Референце

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.

Повезане теме

Чињенице које вреди знати

Шта је паладијум?

Паладијум је ретки, сребрно-бели племенити метал са хемијским симболом Pd и атомским бројем 46. Припада племенитим металима групе платине и ценан је јер је хемијски стабилан, проводи електричну струју, апсорбује водоник и делује као одличан катализатор. Фино подијељен паладијум је посебно ефикасан за реакције хидрогенизације и дехидрогенизације, а загрејан паладијум омогућава дифузију водоника кроз себе, што га чини корисним за раздvajaње и пречишћавање водоника.

За шта се користе паладијум наночестице?

Наночестице паладијума се углавном користе као катализатори високе површине. Будући да наночестице излажу далеко активнију површину од расутог паладијума, оне могу побољшати ефикасност катализатора и смањити количину скупог племенитог метала који је потребан. Типичне примене укључују хемијску синтезу, реакције хидрогенације, реакције спајања угљеника и угљеника, електрокатализу, истраживање горивних ћелија, сензор и складиштење водоника, катализу животне средине и неке биомедицинске истраживачке области као што су антимикробни, фототермални и антиканцерогени системи. Каталитичко понашање паладијума снажно зависи од величине честица, морфологије и дисперзије.
Наночестице паладијума се такође користе за допирање других честица како би се постигле каталитичке функционалности. Прочитајте више о ултразвучном путањском синтезирању Pd/N-BCNT као Фишер-Тропш катализатора!

Да ли је паладијум токсичан?

Elemental metallic palladium is generally considered to have low toxicity and no known biological role, but palladium compounds, salts, dusts, and nanoscale forms should be handled carefully. Occupational or laboratory exposure can cause irritation or sensitization depending on the compound and route of exposure, and palladium chloride solutions, for example, may irritate mucous membranes. For industrial handling, the practical answer is: bulk metallic palladium is relatively low-risk, but palladium powders, soluble palladium salts, and palladium nanoparticles should be treated as potentially hazardous materials, with dust control, ventilation, gloves, eye protection, and proper waste handling.