Сонохімічне відновлення наночастинок паладію

Паладій (Pd) добре відомий своїми каталітичними властивостями та також широко використовується в дослідженнях матеріалів, виробництві електроніки, медицині, очищенні водню та різних хімічних застосуваннях. Використовуючи сонохімічний шлях, розмір і морфологію частинок паладію можна контролювати, регулюючи співвідношення PVP/Pd. Це дозволяє здійснювати ультразвуковий синтез або дуже дрібних, монодисперсних наночастинок, або більших агрегатів паладію, що дає змогу підбирати розміри частинок для оптимальної каталітичної ефективності.

Ультразвукове виробництво наночастинок паладію

Ультразвукове відновлення наночастинок паладію пропонує швидкий, ефективний за використанням реагентів шлях до наночастинок Pd(0), використовуючи акустичну кавітацію для створення локальних високоенергетичних умов і відновлювальних радикалів у розчині, що дозволяє відновлювати іони паладію без традиційної високотемпературної обробки.
Ключовою перевагою є контроль процесу: час ультразвукової обробки та концентрація стабілізатора, наприклад, співвідношення PVP/Pd, можуть впливати на те, чи продукт утворюється у вигляді добре диспергованих, округлих наночастинок розміром близько 5 nm, чи у вигляді більших агрегатів розміром близько 20 nm, що є промислово важливим, оскільки ефективність паладію в каталізі сильно залежить від розміру частинок, морфології, дисперсності та площі поверхні. Оскільки наночастинки паладію широко цінні як гетерогенні каталізатори, електрокаталізатори та функціональні матеріали, ультразвукове відновлення є привабливим для виробництва тонко диспергованих каталізаторів Pd у порівняно м’яких рідкофазних умовах, з потенційними перевагами для хімічного синтезу, екологічного каталізу, технологій паливних елементів та інших процесів, де висока каталітична активність та ефективне використання благородних металів є економічно важливими.

Ультразвуковий апарат UIP2000hdT для потужної ультразвукової обробки та оптимального контролю процесу

Промислова обробка наночастинок за допомогою соникатора UIP2000hdT

Nemamcha і Rehspringer (2008) досліджували сонохімічне виробництво диспергованих і агрегованих наночастинок паладію. Тому розчин Pd(NO₃)₂ піддавали ультразвуковій обробці за допомогою лабораторного ультразвукового гомогенізатора UP100H у присутності етиленгліколю (EG) та полівінілпіролідону (PVP).

Процедура підготовки зразків

Зразки були підготовлені наступним чином:
Для зразків суміші 30mL EG і 5·10^-6mol PVP були підготовлені за допомогою магнітного перемішування протягом 15 min. Для різних зразків додавали різну кількість розчину Pd(NO₃)₂, 1,5mL і 2mL. Суміші зразків були підготовлені зі співвідношенням 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ у зразку (a) і 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ у зразку (b). Обидві суміші піддавали ультразвуковій обробці в флаконі на 20mL, використовуючи ультразвуковий апарат зондового типу. Зразки відбирали після часу ультразвукової обробки 30, 60, 90, 120, 150 і 180 min.

Аналіз експериментальних результатів показує, що:

1. Сонохімічне відновлення Pd(II) до Pd(0) залежить від часу ультразвукової обробки.

2. Високе молярне співвідношення PVP/Pd(II) призводить до утворення монодисперсних частинок паладію округлої форми зі середнім діаметром близько 5nm.

3. Однак низьке молярне співвідношення PVP/Pd(II) передбачає отримання агрегованих наночастинок паладію з широким розподілом розмірів, центрованим на 20nm.

Сонохімічний шлях відновлення іонів паладію (II) Pd(II) до атомів паладію Pd(0) можна вважати наступним:

(1) Піроліз води: H₂O → •OH+•H
(2) Утворення радикалів: RH (відновник) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Відновлення іонів: Pd(II) + відновлювальні радикали (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Утворення частинок: nPd(0) → Pdn

Результат: залежно від співвідношення PVP/Pd(II) були отримані дисперговані або агреговані Pd_n .

Монодисперговані та агреговані наночастинки Pd, отримані ультразвуковим відновленням Pd(II)

Сонохімічне відновлення паладію: зразок a (ліворуч) містить високу кількість PVP, зразок b (праворуч) – низьку кількість PVP. Час ультразвукової обробки за допомогою UP100H: 180 min. Зразок a показує монодисперговані наночастинки Pd, зразок b – агреговані наночастинки Pd.
Зображення та дослідження: ©Nemamcha і Rehspringer, 2008

Аналіз і результати

Аналізи УФ-видимої абсорбції підтверджують зв’язок між сонохімічним відновленням іонів паладію(II) до атомів паладію(0) та часом утримання в ультразвуковому полі. Відновлення іонів паладію(II) до атомів паладію(0) прогресує і може бути повністю досягнуто зі збільшенням часу ультразвукової обробки. Мікрографії просвічної електронної мікроскопії (TEM) показують, що:

Коли додається висока кількість PVP, сонохімічне відновлення іонів паладію призводить до утворення монодисперсних частинок паладію зі сферичною формою та середнім діаметром приблизно 5nm.
Використання невеликої кількості PVP передбачає отримання агрегованих наночастинок паладію. Вимірювання динамічного розсіювання світла (DLS) виявляють, що агрегати наночастинок паладію мають широкий розподіл розмірів, центрований на 20nm.

Нанорозмірні частинки були підготовлені Nemamcha et al. (2008) через сонохімічне відновлення Pd(II) до Pd(0)

Лабораторний соникатор UP100H був використаний для підготовки наночастинок паладію.

Сонохімія: ультразвукове відновлення паладію

Наночастинки паладію (Pd) можна отримати за допомогою ультразвукової обробки

Запросіть додаткову інформацію

Будь ласка, скористайтеся формою нижче, щоб отримати додаткову інформацію про сонікатори для синтезу наночастинок, рекомендації щодо застосування та ціни. Ми будемо раді обговорити з Вами обробку наночастинок і запропонувати Вам найкращий сонікатор, що відповідає Вашим потребам!

Адреса електронної пошти (обов’язково)

Номер телефону

Ім’я

Сфера інтересу

У цьому відео про ультразвуковий гомогенізатор UP100H показано його компактну конструкцію та різноманітні можливості застосування, зокрема диспергування, гомогенізацію, змішування, дегазацію та емульгування.

Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють легко інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об’єкти. Жорсткі умови та вимогливі середовища легко витримуються ультразвуковими апаратами Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є компанією, сертифікованою за ISO, і приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим апаратам, що мають передові технології та зручність у використанні. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та вимогам UL, CSA і RoHs.

Література/Посилання

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.

Пов’язані теми

Факти, які варто знати

Що таке паладій?

Паладій – рідкісний срібно-білий дорогоцінний метал з хімічним символом Pd та атомним номером 46. Він належить до металів платинової групи та цінується, оскільки є хімічно стабільним, проводить електричний струм, поглинає водень і діє як чудовий каталізатор. Тонко подрібнений паладій особливо ефективний для реакцій гідрогенізації та дегідрогенізації, а нагрітий паладій може дозволити водню дифундувати крізь нього, що робить його корисним для розділення та очищення водню.

Для чого використовуються наночастинки паладію?

Наночастинки паладію використовуються переважно як каталізатори з високою площею поверхні. Оскільки наночастинки мають набагато більшу активну площу поверхні, ніж об’ємний паладій, вони можуть підвищувати ефективність каталізатора та зменшувати кількість необхідного дорогого благородного металу. Типові застосування включають хімічний синтез, реакції гідрогенізації, реакції вуглець-вуглецевого сполучення, електрокаталіз, дослідження паливних елементів, сенсинг і зберігання водню, екологічний каталіз та деякі галузі біомедичних досліджень, такі як антимікробні, фототермічні та протиракові системи. Каталітична поведінка паладію сильно залежить від розміру частинок, морфології та дисперсності.
Наночастинки паладію також використовуються для легування інших частинок з метою досягнення каталітичних функціональних можливостей. Читайте більше про ультразвуковий шлях синтезу Pd/N-BCNT як каталізатора Фішера-Тропша!

Чи токсичний паладій?

Елементарний металевий паладій загалом вважається малотоксичним і не має відомої біологічної ролі, але сполуки, солі, пили та нанорозмірні форми паладію слід обробляти обережно. Професійне або лабораторне впливання може викликати подразнення або сенсибілізацію залежно від сполуки та шляху впливу, і розчини хлориду паладію, наприклад, можуть подразнювати слизові оболонки. Для промислового поводження практична відповідь така: об’ємний металевий паладій є відносно низькоризиковим, але порошки паладію, розчинні солі паладію та наночастинки паладію слід розглядати як потенційно небезпечні матеріали, з контролем пилу, вентиляцією, рукавичками, захистом очей та належним поводженням з відходами.