Khử hạt nano paladi bằng phương pháp hóa siêu âm

Paladi (Pd) nổi tiếng với các tính chất xúc tác và cũng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu, sản xuất thiết bị điện tử, y học, tinh chế hydro và nhiều ứng dụng hóa học. Bằng phương pháp hóa siêu âm, có thể kiểm soát kích thước và hình thái của các hạt paladi bằng cách điều chỉnh tỷ lệ PVP/Pd. Điều này cho phép tổng hợp bằng siêu âm các hạt nano rất mịn, đơn phân tán hoặc các tập hợp paladi lớn hơn, qua đó điều chỉnh kích thước hạt để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu.

Sản xuất hạt nano paladi bằng siêu âm

Quá trình khử tạo hạt nano paladi bằng siêu âm cung cấp một phương pháp nhanh, sử dụng hiệu quả thuốc thử để tạo ra các hạt nano Pd(0), bằng cách sử dụng hiện tượng xâm thực âm để tạo ra các điều kiện năng lượng cao cục bộ và các gốc tự do có tính khử trong dung dịch, cho phép khử ion paladi mà không cần xử lý ở nhiệt độ cao theo phương pháp thông thường.
Một ưu điểm chính là khả năng kiểm soát quá trình: thời gian xử lý siêu âm và nồng độ chất ổn định, chẳng hạn như tỷ lệ PVP/Pd, có thể ảnh hưởng đến việc sản phẩm hình thành dưới dạng các hạt nano tròn, phân tán tốt có kích thước khoảng 5 nm hay các tập hợp lớn hơn có kích thước khoảng 20 nm. Điều này có ý nghĩa trong công nghiệp vì hiệu suất xúc tác của paladi phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt, hình thái, độ phân tán và diện tích bề mặt. Vì các hạt nano paladi có giá trị sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác dị thể, chất xúc tác điện hóa và vật liệu chức năng, phương pháp khử bằng siêu âm là một lựa chọn hấp dẫn để sản xuất các chất xúc tác Pd phân tán mịn trong điều kiện pha lỏng tương đối ôn hòa, với những lợi ích tiềm năng cho tổng hợp hóa học, xúc tác môi trường, công nghệ pin nhiên liệu và các quá trình khác mà hoạt tính xúc tác cao và việc sử dụng hiệu quả kim loại quý có ý nghĩa kinh tế quan trọng.

Nemamcha và Rehspringer (2008) đã nghiên cứu việc sản xuất các hạt nano paladi phân tán và kết tụ bằng phương pháp hóa siêu âm. Để thực hiện nghiên cứu này, dung dịch Pd(NO₃)₂ đã được xử lý siêu âm bằng máy đồng nhất siêu âm phòng thí nghiệm UP100H với sự hiện diện của ethylene glycol (EG) và polyvinylpyrrolidone (PVP).

Quy trình chuẩn bị mẫu

Các mẫu được chuẩn bị như sau:
Đối với các mẫu, hỗn hợp gồm 30mL EG và 5·10^-6mol PVP được chuẩn bị bằng cách khuấy từ trong 15 min. Đối với các mẫu khác nhau, các lượng dung dịch Pd(NO₃)₂ khác nhau, 1,5mL và 2mL, được thêm vào. Các hỗn hợp mẫu được chuẩn bị với tỷ lệ 2·10^-3mol Pd(NO₃)₂ trong mẫu (a) và 2,66·10^-3mol Pd(NO₃)₂ trong mẫu (b). Cả hai hỗn hợp được xử lý siêu âm trong lọ 20mL bằng máy siêu âm dạng đầu dò. Các mẫu được lấy sau các thời gian xử lý siêu âm 30, 60, 90, 120, 150 và 180 min.

Phân tích kết quả thực nghiệm cho thấy:

1. Quá trình khử Pd(II) thành Pd(0) bằng phương pháp hóa siêu âm phụ thuộc vào thời gian xử lý siêu âm.

2. Tỷ lệ mol PVP/Pd(II) cao dẫn đến sự hình thành các hạt paladi đơn phân tán có hình dạng tròn và đường kính trung bình khoảng 5nm.

3. Tuy nhiên, tỷ lệ mol PVP/Pd(II) thấp dẫn đến việc thu được các tập hợp hạt nano paladi có phân bố kích thước rộng với tâm phân bố tại 20nm.

Có thể giả định quá trình khử các ion paladi (II) Pd(II) thành các nguyên tử paladi Pd(0) bằng phương pháp hóa siêu âm diễn ra như sau:

(1) Nhiệt phân nước: H₂O → •OH+•H
(2) Hình thành gốc tự do: RH (Chất khử) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
(3) Khử ion: Pd(II) + các gốc tự do có tính khử (•H, •R) → Pd(0) + R•CHO + H+
(4) Hình thành hạt: nPd(0) → Pdn

Kết quả: Tùy thuộc vào tỷ lệ PVP/Pd(II), đã thu được Pd_n ở dạng phân tán hoặc kết tụ.

Các hạt nano Pd đơn phân tán và kết tụ thu được bằng cách khử Pd(II) bằng siêu âm

Khử paladi bằng phương pháp hóa siêu âm: mẫu a (trái) chứa lượng PVP cao, mẫu b (phải) chứa lượng PVP thấp. Thời gian xử lý siêu âm bằng UP100H: 180 min. Mẫu a cho thấy các hạt nano Pd đơn phân tán, mẫu b cho thấy các hạt nano Pd kết tụ.
Hình ảnh và nghiên cứu: ©Nemamcha và Rehspringer, 2008

Phân tích và kết quả

Các phân tích hấp thụ tử ngoại–khả kiến xác nhận mối quan hệ giữa quá trình khử ion paladi(II) thành nguyên tử paladi(0) bằng phương pháp hóa siêu âm và thời gian lưu trong trường siêu âm. Quá trình khử ion paladi(II) thành nguyên tử paladi(0) tiến triển và có thể hoàn tất khi tăng thời gian xử lý siêu âm. Các ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy:

Khi thêm lượng PVP cao, quá trình khử ion paladi bằng phương pháp hóa siêu âm dẫn đến sự hình thành các hạt paladi đơn phân tán có dạng hình cầu và đường kính trung bình khoảng 5nm.
Việc sử dụng lượng PVP nhỏ dẫn đến việc thu được các tập hợp hạt nano paladi. Các phép đo tán xạ ánh sáng động (DLS) cho thấy các tập hợp hạt nano paladi có phân bố kích thước rộng với tâm phân bố tại 20nm.

Video này về máy đồng nhất siêu âm UP100H giới thiệu thiết kế nhỏ gọn và các ứng dụng đa dạng như phân tán, đồng nhất hóa, trộn, khử khí hoặc nhũ hóa.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các máy siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các máy siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các máy siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi cao.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các máy siêu âm hiệu suất cao ứng dụng công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các máy siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

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.

Chủ đề liên quan

Những điều đáng biết

Paladi là gì?

Paladi là kim loại quý hiếm có màu trắng bạc, ký hiệu hóa học Pd và số hiệu nguyên tử 46. Paladi thuộc nhóm kim loại platin và được đánh giá cao vì có tính ổn định hóa học, dẫn điện, hấp thụ hydro và hoạt động như một chất xúc tác xuất sắc. Paladi ở dạng chia nhỏ đặc biệt hiệu quả đối với các phản ứng hydro hóa và khử hydro, còn paladi được nung nóng có thể cho phép hydro khuếch tán qua, nhờ đó hữu ích trong việc tách và tinh chế hydro.

Hạt nano paladi được sử dụng để làm gì?

Các hạt nano paladi được sử dụng chủ yếu làm chất xúc tác có diện tích bề mặt lớn. Vì các hạt nano có diện tích bề mặt hoạt tính tiếp xúc lớn hơn nhiều so với paladi dạng khối, chúng có thể cải thiện hiệu quả xúc tác và giảm lượng kim loại quý đắt tiền cần dùng. Các ứng dụng điển hình bao gồm tổng hợp hóa học, phản ứng hydro hóa, phản ứng ghép cặp carbon–carbon, xúc tác điện hóa, nghiên cứu pin nhiên liệu, cảm biến và lưu trữ hydro, xúc tác môi trường và một số lĩnh vực nghiên cứu y sinh như các hệ kháng vi sinh vật, quang nhiệt và chống ung thư. Đặc tính xúc tác của paladi phụ thuộc nhiều vào kích thước hạt, hình thái và độ phân tán.
Các hạt nano paladi cũng được sử dụng để pha tạp vào các hạt khác nhằm tạo ra các chức năng xúc tác. Đọc thêm về phương pháp tổng hợp Pd/N-BCNT bằng siêu âm để làm chất xúc tác Fischer-Tropsch!

Paladi có độc không?

Paladi kim loại ở dạng nguyên tố thường được coi là có độc tính thấp và chưa có vai trò sinh học nào được biết đến, nhưng các hợp chất, muối, bụi và dạng kích thước nano của paladi cần được xử lý cẩn thận. Phơi nhiễm trong nghề nghiệp hoặc trong phòng thí nghiệm có thể gây kích ứng hoặc mẫn cảm tùy thuộc vào hợp chất và đường phơi nhiễm; ví dụ, các dung dịch paladi clorua có thể gây kích ứng niêm mạc. Đối với việc xử lý trong công nghiệp, câu trả lời thực tế là: paladi kim loại dạng khối có mức rủi ro tương đối thấp, nhưng bột paladi, muối paladi hòa tan và hạt nano paladi cần được xử lý như các vật liệu có khả năng gây nguy hại, với các biện pháp kiểm soát bụi, thông gió, sử dụng găng tay, bảo vệ mắt và xử lý chất thải đúng cách.