Сонохімічне відновлення наночастинок паладію

Паладій (Pd) добре відомий своїми каталітичними властивостями, а також широко застосовується в матеріалознавстві, виробництві електроніки, медицині, очищенні водню та різних хімічних сферах. Застосовуючи ультразвуковий метод, розмір і морфологію частинок паладію можна регулювати шляхом зміни співвідношення PVP/Pd. Це дає змогу здійснювати ультразвуковий синтез як дуже дрібних монодисперсних наночастинок, так і більших агрегатів паладію, що дозволяє підбирати розміри частинок для досягнення оптимальної каталітичної ефективності.

Ультразвукове виробництво наночастинок паладію

Ультразвукове відновлення наночастинок паладію — це швидкий та економічний за витратою реагентів спосіб отримання наночастинок Pd(0), що базується на використанні акустичної кавітації для створення локалізованих умов високої енергії та відновлення радикалів у розчині, що дозволяє відновлювати іони паладію без застосування традиційної високотемпературної обробки.
Ключовою перевагою є контроль процесу: час ультразвукової обробки та концентрація стабілізатора, наприклад співвідношення PVP/Pd, можуть впливати на те, чи утворюватиметься продукт у вигляді добре диспергованих, округлих наночастинок розміром близько 5 нм, чи у вигляді більших агрегатів розміром близько 20 нм, що має промислове значення, оскільки ефективність паладію в каталізі сильно залежить від розміру частинок, морфології, дисперсії та площі поверхні. Оскільки наночастинки паладію мають широке застосування як гетерогенні каталізатори, електрокаталізаторів та функціональних матеріалів, ультразвукове відновлення є привабливим методом для отримання дрібнодисперсних Pd-каталізаторів у порівняно м’яких умовах рідкої фази, що має потенційні переваги для хімічного синтезу, екологічного каталізу, технологій паливних елементів та інших процесів, де висока каталітична активність та ефективне використання благородних металів мають економічне значення.

Ультразвуковий апарат UIP2000HDT для потужного ультразвуку та оптимального контролю процесу

Промислова обробка наночастинок з сокатором UIP2000hdT

Немамча та Респрінгер (2008) досліджували сонохімічне отримання дисперсних та агрегованих наночастинок паладію. Для цього 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 використовуються суміші по 30 мл ЕГ і 5·10^-6моль ПВП готували шляхом магнітного перемішування протягом 15 хв. До різних зразків додавали різну кількість розчину Pd(NO₃)₂ — 1,5 мл та 2 мл. Зміші зразків готували у співвідношенні 2·10^-3моль Pd(NO₃)₂ у зразку (а) та 2,66·10^-3моль Pd(NO₃)₂ у зразку (b). Обидві суміші піддавали ультразвуковій обробці у флаконі об’ємом 20 мл за допомогою ультразвукового апарата з зондовим датчиком. Зразки відбирали після 30, 60, 90, 120, 150 та 180 хвилин ультразвукової обробки.

Аналіз результатів експерименту свідчить, що:

1. Сонохімічне відновлення Pd(II) в Pd(0) залежить від часу ультразвукового випромінювання.

2. Високе молярне співвідношення PVP/Pd(II) призводить до утворення монодисперсних частинок паладію, що мають округлу форму та середній діаметр близько 5 нм.

3. Однак низьке молярне співвідношення PVP/Pd(II) передбачає отримання агрегатів наночастинок паладію з великим розподілом розмірів з центром 20 нм.

Сонохимический шлях відновлення іонів паладію (II) Пд(ІІ) до атомів паладію ПД(0) можна припустити наступне:

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

Результат: Залежно від співвідношення PVP/Pd(II), дисперсний або агрегований Pd_N були отримані.

Монодисперсні та агреговані наночастинки Pd, отримані шляхом ультразвукового відновлення Pd(II)

Сонохімічне відновлення паладію: зразок а (ліворуч) містить велику кількість ПВП, зразок б (праворуч) — невелику кількість ПВП. Тривалість обробки ультразвуком за допомогою UP100H: 180 хв. У зразку а спостерігаються монодисперсні наночастинки Pd, у зразку б — агреговані наночастинки Pd.
Ілюстрації та дослідження: ©Nemamcha та Rehspringer, 2008

Аналіз та результати

Аналізи абсорбції, видимі за допомогою ультрафіолетового випромінювання, 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 ультразвуку. Мікрофотографії трансмісійної електронної мікроскопії (ТЕМ) показують, що:

При додаванні великої кількості PVP сонохімічне відновлення іонів паладію призводить до утворення монодисперсних частинок паладію сферичної форми із середнім діаметром приблизно 5 нм.
Використання невеликої кількості ПВП призводить до утворення агрегатів наночастинок паладію. Вимірювання методом динамічного розсіювання світла (DLS) показують, що агрегати наночастинок паладію мають широкий розмірний розподіл із піком при 20 нм.

Нанорозмірні частинки були отримані Nemamcha et al. (2008) шляхом сонохімічного відновлення Pd(II) до Pd(0)

Лабораторний ультразвуковий апарат UP100H використовувався для отримання наночастинок паладію.

Сонохімія: Ультразвукове відновлення паладію

Наночастинки паладію (Pd) можуть бути отримані за допомогою ультразвуку

Запитайте більше інформації

Будь ласка, скористайтеся формою нижче, щоб отримати додаткову інформацію про ультразвукові апарати для синтезу наночастинок, рекомендації щодо застосування та ціни. Ми будемо раді обговорити з вами процес обробки наночастинок та запропонувати вам найкращий ультразвуковий апарат, який відповідатиме вашим потребам!

Адреса електронної пошти (обов'язково)

Контактний телефон

Ім'я

Інтерес

Це відео ультразвукового гомогенізатора UP100H демонструє його компактний дизайн і універсальні застосування, такі як диспергування, гомогенізація, змішування, дегазація або емульгування.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Література/Список літератури

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?

Палладій — це рідкісний сріблясто-білий дорогоцінний метал із хімічним символом Pd та атомним номером 46. Він належить до металів платинової групи і цінується за свою хімічну стабільність, здатність проводити електрику, поглинати водень та виступати чудовим каталізатором. Дрібнодисперсний паладій є особливо ефективним для реакцій гідрування та дегідрування, а нагрітий паладій дозволяє водневі дифундувати крізь нього, що робить його корисним для виділення та очищення водню.

Для чого використовуються наночастинки паладію?

Наночастинки паладію використовуються переважно як каталізатори з великою питомою поверхнею. Оскільки наночастинки мають набагато більшу активну поверхню, ніж об’ємний паладій, вони дозволяють підвищити ефективність каталізатора та зменшити кількість необхідного дорогого благородного металу. Типові сфери застосування включають хімічний синтез, реакції гідрування, реакції з'єднання вуглецю з вуглецем, електрокаталіз, дослідження паливних елементів, виявлення та зберігання водню, екологічний каталіз, а також деякі галузі біомедичних досліджень, такі як антимікробні, фототермічні та протиракові системи. Каталітичні властивості паладію значною мірою залежать від розміру частинок, їх морфології та дисперсії.
Наночастинки паладію також використовуються для легування інших частинок з метою надання їм каталітичних властивостей. Дізнайтеся більше про ультразвуковий метод синтезу Pd/N-BCNT як каталізатора Фішера-Тропша!

Чи є паладій токсичним?

Загалом вважається, що елементарний металевий паладій має низьку токсичність і не відіграє жодної відомої біологічної ролі, проте зі сполуками паладію, його солями, пилом та нанорозмірними формами слід поводитися обережно. Професійне або лабораторне опромінення може спричинити подразнення або сенсибілізацію залежно від сполуки та шляху впливу; наприклад, розчини хлориду паладію можуть подразнювати слизові оболонки. Щодо промислового поводження з палладієм, практичний висновок такий: металевий палладій у великих обсягах є відносно безпечним, але порошки палладію, розчинні солі палладію та наночастинки палладію слід розглядати як потенційно небезпечні матеріали, що вимагають заходів щодо контролю пилу, вентиляції, використання рукавичок, засобів захисту очей та належного поводження з відходами.