Giảm Sonochemical của các hạt nano Palladium

Palladium (Pd) được biết đến rộng rãi nhờ các tính chất xúc tác của nó và cũng được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu, sản xuất điện tử, y học, tinh chế hydro và các ứng dụng hóa học khác nhau. Bằng phương pháp sonochemical, kích thước và hình thái của các hạt palladium có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tỷ lệ PVP/Pd. Điều này cho phép tổng hợp bằng sóng siêu âm để tạo ra hoặc các hạt nano rất mịn, đồng nhất về kích thước, hoặc các cụm palladium lớn hơn, từ đó điều chỉnh kích thước hạt sao cho đạt được hiệu suất xúc tác tối ưu.

Sản xuất siêu âm các hạt nano Palladium

Phương pháp khử các hạt nano palladium bằng sóng siêu âm mang lại một quy trình nhanh chóng và tiết kiệm thuốc thử để thu được các hạt nano Pd(0), thông qua việc sử dụng hiện tượng xâm thực âm thanh để tạo ra các điều kiện năng lượng cao cục bộ và các gốc tự do khử trong dung dịch, từ đó cho phép khử các ion palladium mà không cần qua quá trình xử lý ở nhiệt độ cao như thông thường.
Một ưu điểm quan trọng là khả năng kiểm soát quy trình: thời gian 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 đều có kích thước khoảng 5 nm hay dưới dạng các cụm lớn hơn khoảng 20 nm; điều này có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp vì hiệu suất của palladium trong quá trình xúc tác phụ thuộc mạnh mẽ vào kích thước hạt, hình thái, độ phân tán và diện tích bề mặt. Vì các hạt nano palladium có giá trị rộng rãi như chất xúc tác dị thể, chất xúc tác điện và vật liệu chức năng, phương pháp khử bằng siêu âm trở nên hấp dẫn trong việc sản xuất các chất xúc tác Pd phân tán mịn dưới điều kiện pha lỏng tương đối ôn hòa, mang lại những lợi ích tiềm năng cho tổng hợp hóa học, xúc tác môi trường, công nghệ pin nhiên liệu và các quy trình khác nơi hoạt tính xúc tác cao cùng việc sử dụng hiệu quả kim loại quý có ý nghĩa kinh tế quan trọng.

Nemamcha và Rehspringer (2008) đã nghiên cứu quá trình sản xuất các hạt nano palladium ở dạng phân tán và kết tụ bằng phương pháp siêu âm hóa học. Do đó, dung dịch Pd(NO₃)₂ đã được xử lý bằng sóng siêu âm bằng máy đồng nhất hóa siêu âm phòng thí nghiệm UP100H với sự có mặt 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 30ml EG và 5 · 10^-6mol PVP được chuẩn bị bằng cách khuấy từ trong 15 phút. Đối với các mẫu khác nhau, người ta đã thêm các lượng dung dịch Pd(NO₃)₂ khác nhau, lần lượt là 1,5 mL và 2 mL. Các hỗn hợp mẫu được chuẩn bị theo 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 đều được xử lý bằng sóng siêu âm trong lọ 20 mL bằng máy siêu âm kiểu đầu dò. Các mẫu được lấy sau các khoảng thời gian xử lý bằng sóng siêu âm là 30, 60, 90, 120, 150 và 180 phút.

Phân tích kết quả thí nghiệm cho thấy:

1. Việc giảm sonochemical của Pd (II) thành Pd (0) phụ thuộc vào thời gian sonication.

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

3. Tuy nhiên, tỷ lệ mol PVP / Pd (II) thấp liên quan đến việc thu được các hạt nano palladium cốt liệu với sự phân bố kích thước lớn tập trung ở 20nm.

---

Con đường sonochemical khử các ion paladi (II) PD (II) đến các nguyên tử paladi PD(0) có thể được giả định như sau:

• (1) Quá trình nhiệt phân nước: H₂O → •OH + •H
• (2) Quá trình hình thành gốc tự do: RH (chất khử) + •OH(•H) → •R + H₂O(H₂)
• (3) Khử ion: Pd (II) + các gốc 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), Pd phân tán hoặc tổng hợp_N đã thu được.

Phân tích và kết quả

Các phân tích hấp thụ nhìn thấy tia cực tím xác nhận mối quan hệ giữa việc khử sonochemical của các ion paladi (II) thành các nguyên tử paladi (0) và thời gian lưu giữ trong trường siêu âm. Việc khử các ion paladi (II) thành các nguyên tử paladi (0) tiến triển và hoàn toàn có thể đạt được với thời gian sonication ngày càng tăng. Các kính hiển vi của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) cho thấy:

1. Khi bổ sung một lượng lớn PVP, quá trình khử ion palladium bằng sóng siêu âm dẫn đến sự hình thành các hạt palladium đơn phân tán có hình cầu và đường kính trung bình khoảng 5 nm.
2. Việc sử dụng một lượng nhỏ PVP giúp thu được các cụm hạt nano palladium. Các kết quả đo bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) cho thấy các cụm hạt nano palladium này có phân bố kích thước rộng, với giá trị trung tâm là 20 nm.