การรีดิวซ์อนุภาคนาโนแพลเลเดียมด้วยวิธีโซโนเคมี
แพลเลเดียม (Pd) เป็นที่รู้จักดีในด้านสมบัติการเร่งปฏิกิริยา และยังใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิจัยวัสดุ การผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การแพทย์ การทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์ และการประยุกต์ใช้ทางเคมีต่าง ๆ การใช้วิถีทางโซโนเคมีช่วยให้ควบคุมขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาคแพลเลเดียมได้ด้วยการปรับอัตราส่วน PVP/Pd ซึ่งทำให้สามารถสังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์ให้ได้ทั้งอนุภาคนาโนที่ละเอียดมากและมีขนาดสม่ำเสมอ หรือกลุ่มอนุภาคแพลเลเดียมที่มีขนาดใหญ่กว่า โดยปรับขนาดอนุภาคให้เหมาะสมเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุด
การผลิตอนุภาคนาโนแพลเลเดียมด้วยอัลตราซาวนด์
การรีดิวซ์เพื่อผลิตอนุภาคนาโนแพลเลเดียมด้วยอัลตราซาวนด์เป็นวิถีทางที่รวดเร็วและใช้สารรีเอเจนต์อย่างมีประสิทธิภาพในการผลิตอนุภาคนาโน Pd(0) โดยใช้คาวิเทชันทางเสียงเพื่อสร้างสภาวะพลังงานสูงเฉพาะบริเวณและอนุมูลที่มีฤทธิ์รีดิวซ์ในสารละลาย ทำให้รีดิวซ์ไอออนแพลเลเดียมได้โดยไม่ต้องใช้กระบวนการที่อุณหภูมิสูงแบบดั้งเดิม
ข้อได้เปรียบสำคัญคือการควบคุมกระบวนการ: ระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์และความเข้มข้นของสารเพิ่มเสถียรภาพ เช่น อัตราส่วน PVP/Pd สามารถส่งผลต่อการเกิดผลิตภัณฑ์เป็นอนุภาคนาโนรูปร่างกลมมนที่กระจายตัวได้ดีและมีขนาดประมาณ 5 nm หรือเป็นกลุ่มอนุภาคที่ใหญ่กว่าซึ่งมีขนาดประมาณ 20 nm เรื่องนี้มีความสำคัญต่ออุตสาหกรรม เนื่องจากประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของแพลเลเดียมขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาค สัณฐานวิทยา การกระจายตัว และพื้นที่ผิวอย่างมาก เนื่องจากอนุภาคนาโนแพลเลเดียมมีคุณค่าอย่างกว้างขวางในฐานะตัวเร่งปฏิกิริยาวิวิธพันธุ์ ตัวเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี และวัสดุเชิงหน้าที่ การรีดิวซ์ด้วยอัลตราซาวนด์จึงเป็นวิธีที่น่าสนใจในการผลิตตัวเร่งปฏิกิริยา Pd ที่กระจายตัวอย่างละเอียดภายใต้สภาวะในเฟสของเหลวที่ค่อนข้างอ่อนโยน โดยอาจให้ประโยชน์ต่อการสังเคราะห์ทางเคมี การเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อม เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิง และกระบวนการอื่น ๆ ที่กิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาสูงและการใช้โลหะมีตระกูลอย่างมีประสิทธิภาพมีความสำคัญทางเศรษฐกิจ
การแปรรูปอนุภาคนาโนในระดับอุตสาหกรรม ด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์ UIP2000hdT
ขั้นตอนการเตรียมตัวอย่าง
เตรียมตัวอย่างดังต่อไปนี้:
สำหรับตัวอย่าง เตรียมส่วนผสมของ EG ปริมาตร 30mL และ PVP ปริมาณ 5·10-6mol โดยกวนด้วยเครื่องกวนแม่เหล็กเป็นเวลา 15 min สำหรับตัวอย่างที่แตกต่างกัน เติมสารละลาย Pd(NO₃)₂ ในปริมาณที่แตกต่างกัน คือ 1.5mL และ 2mL เตรียมส่วนผสมตัวอย่างโดยใช้อัตราส่วน Pd(NO₃)₂ เท่ากับ 2·10-3mol ในตัวอย่าง (a) และ Pd(NO₃)₂ เท่ากับ 2.66·10-3mol ในตัวอย่าง (b) ส่วนผสมทั้งสองได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ในขวดไวแอลขนาด 20mL โดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบ เก็บตัวอย่างหลังจากให้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 30, 60, 90, 120, 150 และ 180 min
การวิเคราะห์ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า:
- 1. การรีดิวซ์ Pd(II) เป็น Pd(0) ด้วยวิธีโซโนเคมีขึ้นอยู่กับระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์
- 2. อัตราส่วนโมล PVP/Pd(II) ที่สูงทำให้เกิดอนุภาคแพลเลเดียมที่มีขนาดสม่ำเสมอ มีรูปร่างกลมมน และมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 5nm
- 3. อย่างไรก็ตาม อัตราส่วนโมล PVP/Pd(II) ที่ต่ำทำให้ได้กลุ่มอนุภาคนาโนแพลเลเดียมที่มีการกระจายขนาดกว้าง โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ 20nm
วิถีทางโซโนเคมีในการรีดิวซ์ไอออนแพลเลเดียม (II) Pd(II) เป็นอะตอมแพลเลเดียม Pd(0) อาจสันนิษฐานได้ว่าเป็นดังต่อไปนี้:
- (1) ไพโรไลซิสของน้ำ: H₂O → •OH+•H
- (2) การเกิดอนุมูล: RH (สารรีดิวซ์) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
- (3) การรีดิวซ์ไอออน: Pd(II) + อนุมูลที่มีฤทธิ์รีดิวซ์ (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
- (4) การเกิดอนุภาค: nPd(0) → Pdn
ผลลัพธ์: ขึ้นอยู่กับอัตราส่วน PVP/Pd(II) ได้ Pdn ที่กระจายตัวหรือรวมกลุ่ม
การรีดิวซ์แพลเลเดียมด้วยวิธีโซโนเคมี: ตัวอย่าง a (ซ้าย) มี PVP ปริมาณสูง ส่วนตัวอย่าง b (ขวา) มี PVP ปริมาณต่ำ ระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ด้วย UP100H: 180 min ตัวอย่าง a แสดงอนุภาคนาโน Pd ที่มีขนาดสม่ำเสมอ ส่วนตัวอย่าง b แสดงอนุภาคนาโน Pd ที่รวมกลุ่ม
ภาพและการศึกษา: ©Nemamcha และ Rehspringer, 2008
การวิเคราะห์และผลลัพธ์
การวิเคราะห์การดูดกลืนแสงในช่วงอัลตราไวโอเลตและแสงที่มองเห็นยืนยันความสัมพันธ์ระหว่างการรีดิวซ์ไอออนแพลเลเดียม(II) เป็นอะตอมแพลเลเดียม(0) ด้วยวิธีโซโนเคมี กับระยะเวลาที่อยู่ในสนามอัลตราซาวนด์ การรีดิวซ์ไอออนแพลเลเดียม(II) เป็นอะตอมแพลเลเดียม(0) ดำเนินไปและสามารถเกิดได้อย่างสมบูรณ์เมื่อเพิ่มระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) แสดงให้เห็นว่า:
- เมื่อเติม PVP ในปริมาณสูง การรีดิวซ์ไอออนแพลเลเดียมด้วยวิธีโซโนเคมีทำให้เกิดอนุภาคแพลเลเดียมที่มีขนาดสม่ำเสมอ มีรูปร่างทรงกลม และมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยประมาณ 5nm
- การใช้ PVP ในปริมาณน้อยทำให้ได้กลุ่มอนุภาคนาโนแพลเลเดียม การวัดด้วยการกระเจิงแสงแบบพลวัต (DLS) แสดงให้เห็นว่ากลุ่มอนุภาคนาโนแพลเลเดียมมีการกระจายขนาดกว้าง โดยมีศูนย์กลางอยู่ที่ 20nm
เครื่องอัลตราซาวนด์สำหรับห้องปฏิบัติการ UP100H ถูกใช้ในการเตรียมอนุภาคนาโนแพลเลเดียม
สามารถเตรียมอนุภาคนาโนแพลเลเดียม (Pd) ได้ด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์
การออกแบบ การผลิต และการให้คำปรึกษา – คุณภาพที่ผลิตในเยอรมนี
เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นที่รู้จักดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบระดับสูงสุด ความทนทานและการใช้งานที่ง่ายช่วยให้ผสานเครื่องอัลตราซาวนด์ของเราเข้ากับสถานประกอบการอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รับมือกับสภาวะที่รุนแรงและสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงได้อย่างง่ายดาย
Hielscher Ultrasonics เป็นบริษัทที่ได้รับการรับรอง ISO และให้ความสำคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่ใช้เทคโนโลยีล้ำสมัยและใช้งานง่าย แน่นอนว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher เป็นไปตามข้อกำหนด CE และตรงตามข้อกำหนดของ UL, CSA และ RoHs
เอกสารวิชาการ/เอกสารอ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
แพลเลเดียมคืออะไร?
แพลเลเดียมเป็นโลหะมีค่าที่หายาก มีสีขาวเงิน มีสัญลักษณ์ทางเคมี Pd และเลขอะตอม 46 เป็นโลหะในกลุ่มแพลทินัมและมีคุณค่าเนื่องจากมีเสถียรภาพทางเคมี นำไฟฟ้า ดูดซับไฮโดรเจน และทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีเยี่ยม แพลเลเดียมที่แบ่งเป็นอนุภาคละเอียดมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษสำหรับปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจนและดึงไฮโดรเจนออก และแพลเลเดียมที่ได้รับความร้อนสามารถให้ไฮโดรเจนแพร่ผ่านได้ จึงมีประโยชน์ในการแยกและทำไฮโดรเจนให้บริสุทธิ์
อนุภาคนาโนแพลเลเดียมใช้ทำอะไร?
อนุภาคนาโนแพลเลเดียมใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีพื้นที่ผิวสูงเป็นหลัก เนื่องจากอนุภาคนาโนมีพื้นที่ผิวที่ออกฤทธิ์เปิดรับได้มากกว่าแพลเลเดียมในรูปวัสดุขนาดใหญ่อย่างมาก จึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาและลดปริมาณโลหะมีตระกูลราคาแพงที่จำเป็นต้องใช้ได้ การประยุกต์ใช้โดยทั่วไป ได้แก่ การสังเคราะห์ทางเคมี ปฏิกิริยาเติมไฮโดรเจน ปฏิกิริยาควบคู่คาร์บอน–คาร์บอน การเร่งปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี การวิจัยเซลล์เชื้อเพลิง การตรวจวัดและกักเก็บไฮโดรเจน การเร่งปฏิกิริยาด้านสิ่งแวดล้อม และงานวิจัยชีวการแพทย์บางด้าน เช่น ระบบต้านจุลชีพ ระบบโฟโตเทอร์มอล และระบบต้านมะเร็ง พฤติกรรมการเร่งปฏิกิริยาของแพลเลเดียมขึ้นอยู่กับขนาดอนุภาค สัณฐานวิทยา และการกระจายตัวอย่างมาก
อนุภาคนาโนแพลเลเดียมยังใช้เจืออนุภาคชนิดอื่นเพื่อให้มีสมบัติการเร่งปฏิกิริยาด้วย อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิถีทางอัลตราซาวนด์ในการสังเคราะห์ Pd/N-BCNT เพื่อใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยา Fischer-Tropsch!
แพลเลเดียมมีพิษหรือไม่?
โดยทั่วไปถือว่าแพลเลเดียมในรูปธาตุโลหะมีความเป็นพิษต่ำและไม่มีบทบาททางชีวภาพที่ทราบแน่ชัด แต่ควรจัดการสารประกอบ เกลือ ฝุ่น และรูปแบบระดับนาโนของแพลเลเดียมอย่างระมัดระวัง การสัมผัสจากการประกอบอาชีพหรือในห้องปฏิบัติการอาจทำให้เกิดการระคายเคืองหรือการไวต่อสาร ขึ้นอยู่กับสารประกอบและเส้นทางการสัมผัส ตัวอย่างเช่น สารละลายแพลเลเดียมคลอไรด์อาจระคายเคืองเยื่อเมือก สำหรับการจัดการในอุตสาหกรรม คำตอบในทางปฏิบัติคือ: แพลเลเดียมโลหะในรูปวัสดุขนาดใหญ่มีความเสี่ยงค่อนข้างต่ำ แต่ผงแพลเลเดียม เกลือแพลเลเดียมที่ละลายได้ และอนุภาคนาโนแพลเลเดียมควรได้รับการจัดการในฐานะวัสดุที่อาจเป็นอันตราย โดยมีการควบคุมฝุ่น การระบายอากาศ การใช้ถุงมือ อุปกรณ์ป้องกันดวงตา และการจัดการของเสียอย่างเหมาะสม