Herstellung von silber-palladiumlegierten Nanopartikeln zur Plasmonischen Katalyse unter sichtbarer Lichtbeleuchtung
Summary
Hier wird ein Protokoll zur Synthese von Silber-Palladium (Ag-Pd) Legierung Nanopartikel (NPs) auf ZrO2 unterstützt (Ag-Pd/ZrO2). Dieses System ermöglicht die Gewinnung von Energie aus sichtbarer Lichtbestrahlung, um molekulare Transformationen zu beschleunigen und zu steuern. Dies wird durch die Nitrobenzolreduktion unter Lichtbestrahlung veranschaulicht, die von Ag-Pd/ZrO2 NPs katalysiert wird.
Abstract
Lokalisierte Oberflächen-Plasmonresonanz (LSPR) in plasmonischen Nanopartikeln (NPs) kann die Selektivität einer Vielzahl molekularer Transformationen beschleunigen und steuern. Dies eröffnet Möglichkeiten für die Verwendung von sichtbarem oder IR-nahen Licht als nachhaltiger Input für Antriebs- und Kontrollreaktionen, wenn Plasmonische Nanopartikel, die die LSPR-Erregung in diesen Bereichen unterstützen, als Katalysatoren eingesetzt werden. Leider ist dies bei mehreren katalytischen Metallen wie Palladium (Pd) nicht der Fall. Eine Strategie, um diese Einschränkung zu überwinden, ist die Verwendung bimetallischer NPs, die plasmonische und katalytische Metalle enthalten. In diesem Fall kann die LSPR-Erregung im Plasmonischen Metall dazu beitragen, Transformationen, die von der katalytischen Komponente angetrieben werden, zu beschleunigen und zu steuern. Die hier in diesem Verfahren berichtete Methode konzentriert sich auf die Synthese von bimetallischen Silber-Palladium (Ag-Pd) NPs, die auf ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) unterstützt werden und als plasmonisch-katalytisches System wirken. Die NPs wurden durch Co-Imprägnierung entsprechender Metallvorläufer auf der ZrO2-Unterstützung vorbereitet, gefolgt von gleichzeitiger Reduktion, die zur Bildung von bimetallischen NPs direkt auf der ZrO2-Unterstützung führte. Die Ag-Pd/ZrO2 NPs wurden dann als Plasmonische Katalysatoren zur Reduktion von Nitrobenzol unter 425 nm Beleuchtung durch LED-Lampen eingesetzt. Mit Hilfe der Gaschromatographie (GC) kann die Umwandlung und Selektivität der Reduktionsreaktion unter den dunklen und hellen Bestrahlungsbedingungen überwacht werden, was die verbesserte katalytische Leistungsfähigkeit und Kontrolle der Selektivität unter LSPR-Erregung nach der Legierung nicht-plasmonischer Pd mit Plasmonischem Metall Ag demonstriert. Diese Technik kann an eine Breite von molekularen Transformationen und NPs-Zusammensetzungen angepasst werden, was sie für die Charakterisierung der plasmonischen katalytischen Aktivität verschiedener Arten von Katalyse in Bezug auf Umwandlung und Selektivität nützlich macht.
Introduction
Unter den verschiedenen Anwendungen von Metall-Nanopartikeln (NPs) verdient die Katalyse besondere Aufmerksamkeit. Die Katalyse spielt eine zentrale Rolle in einer nachhaltigen Zukunft, trägt zu weniger Energieverbrauch, besserer Nutzung von Rohstoffen bei und ermöglicht sauberere Reaktionsbedingungen1,2,3,4. So können Fortschritte in der Katalyse Instrumente zur Verbesserung der atomaren Effizienz chemischer Prozesse bereitstellen, die sie sauberer, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher machen. Metall-NPs, die Silber (Ag), Gold (Au) oder Kupfer (Cu) umfassen, können interessante optische Eigenschaften im sichtbaren Bereich aufweisen, die sich aus der einzigartigen Art und Weise ergeben, wie diese Systeme über die lokalisierte Oberflächen-Plasmonresonanz (LSPR) Anregung5,6,7,8. In diesen NPs, die als Plasmonische NPs bezeichnet werden, umfasst die LSPR die Resonanzinteraktion zwischen den einfallenden Photonen (von einer eingehenden elektromagnetischen Welle) mit der kollektiven Bewegung der Elektronen5,6,7,8. Dieses Phänomen tritt in einer charakteristischen Frequenz auf, die von der Größe, Form, Zusammensetzung und Dielektrizitätskonstante der Umgebung9,10,11abhängt. Für Ag, Au und Cu können diese Frequenzen beispielsweise von der sichtbaren bis zur Nah-IR reichen und Möglichkeiten für die Nutzung von Sonnenenergie eröffnen, um ihre LSPR5,6,7,8,12,13zu erregen.
Kürzlich wurde gezeigt, dass die LSPR-Erregung in plasmonischen NPs dazu beitragen kann, die Raten zu beschleunigen und die Selektivität molekularer Transformationen5,14,15,16,17,18,19zu kontrollieren. Dies führte zu einem Feld namens Plasmonische Katalyse, die sich auf die Verwendung von Energie aus Licht konzentrieren, um chemische Transformationen zu beschleunigen, anzutreiben und/oder zu kontrollieren5,14,15,16,17,18,19. In diesem Zusammenhang wurde festgestellt, dass die LSPR-Erregung in plasmonischen NPs zur Bildung energetischer heißer Elektronen und Löcher führen kann, die als LSPR-erregte Heißträger bezeichnet werden. Diese Träger können mit adsorbten Arten durch elektronische oder Schwingungsaktivierung interagieren15,16. Neben erhöhten Reaktionsraten kann dieses Verfahren auch alternative Reaktionswege bieten, die nicht über herkömmliche thermochemisch gesteuerte Prozesse zugänglich sind, und neue Wege für die Steuerung der Reaktionsselektivität20,21,22,23,24,25eröffnen. Wichtig ist, dass es erwähnenswert ist, dass der Plasmonzerfall auch zu einer thermischen Ableitung führen kann, was zu einem Temperaturanstieg in der Nähe der NPs führen kann, was auch zur Beschleunigung der Reaktionsraten15,16beitragen kann.
Aufgrund dieser interessanten Eigenschaften wurde die Plasmonische Katalyse erfolgreich für eine Vielzahl molekularer Transformationen eingesetzt18. Dennoch bleibt eine wichtige Herausforderung bestehen. Während Plasmonische NPs wie Ag und Au hervorragende optische Eigenschaften im sichtbaren und nahen IR-Bereich aufweisen, sind ihre katalytischen Eigenschaften in Bezug auf den Umfang von Transformationen begrenzt. Mit anderen Worten, sie zeigen keine guten katalytischen Eigenschaften für mehrere Transformationen. Darüber hinaus unterstützen Metalle, die bei der Katalyse wichtig sind, wie Palladium (Pd) und Platin (Pt), keine LSPR-Erregung im sichtbaren oder nahen IR-Bereich. Um diese Lücke zu überbrücken, stellen bimetallische NPs, die ein plasmonisches und katalytisches Metall enthalten, eine effektive Strategie20,26,27,28,29dar. In diesen Systemen kann das Plasmonische Metall als Antenne eingesetzt werden, um Energie aus der Lichterregung durch das LSPR zu ernten, das dann verwendet wird, um molekulare Transformationen am katalytischen Metall anzutreiben, zu beschleunigen und zu steuern. Daher ermöglicht uns diese Strategie, die Plasmonische Katalyse über traditionelle Plasmonische Metall-NPs hinaus zu erweitern20,26,27,28,29.
Dieses Protokoll beschreibt die einfache Synthese von bimetallischen Silber-Palladium (Ag-Pd) legierten NPs, die auf ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) unterstützt werden und als plasmonisch-katalytisches System für die Plasmonische Katalyse fungieren können. Die Ag-Pd/ZrO2 NPs wurden durch Co-Imprägnierung der entsprechenden Metallvorläufer auf der ZrO 2-Stütze mit anschließender gleichzeitiger Reduktion30vorbereitet. Dieser Ansatz führte zur Bildung von bimetallischen NPs mit einer Größe von etwa 10 nm (Durchmesser) direkt an der Oberfläche des ZrO 2-Trägers. Die NPs setzten sich aus 1 mol% Pd zusammen, um die Nutzung des katalytischen Metalls zu minimieren und gleichzeitig die optischen Eigenschaften der resultierenden Ag-Pd NPs zu maximieren. Zur Reduktion von Nitrobenzol wurde ein Protokoll zur Anwendung der Ag-Pd/ZrO2 NPs in der Plasmonischen Katalyse nachgewiesen. Wir haben 425 nm LED-Beleuchtung für die LSPR-Erregung eingesetzt. Die Gaschromatographie wurde durchgeführt, um die Umwandlung und Selektivität der Reduktionsreaktion unter den dunklen und hellen Bestrahlungsbedingungen zu überwachen. DIE LSPR-Erregung führte zu einer verbesserten katalytischen Leistung und Kontrolle der Selektivität in Ag-Pd/ZrO2 NPs im Verhältnis zu rein thermisch angetriebenen Bedingungen. Die in diesem Protokoll beschriebene Methode basiert auf einem einfachen photokatalytischen Reaktionsaufbau in Verbindung mit gaschromatographie und kann an eine Vielzahl molekularer Transformationen und NPs-Zusammensetzungen angepasst werden. Somit ermöglicht diese Methode die Charakterisierung der photokatalytischen Aktivität in Bezug auf Umwandlung und Reaktionsselektivität, verschiedenen NPs und für eine Vielzahl von Flüssigkeitsphasentransformationen. Wir glauben, dass dieser Artikel wichtige Leitlinien und Einblicke sowohl für Neulinge als auch für erfahrenere Wissenschaftler auf diesem Gebiet bieten wird.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die in diesem Verfahren beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass die intrinsische katalytische Aktivität von Pd (oder anderem katalytischen, aber nicht plasmonischen Metall) durch LSPR-Erregung durch sichtbare Lichtbestrahlung in bimetallisch legierten NPs35signifikant verstärkt werden kann. In diesem Fall ist Ag (oder ein anderes Plasmonisches Metall) in der Lage, Energie aus der bestrahlung von sichtbarem Licht über LSPR-Erregung zu ernten. Die LSPR-Erregung führt zur Bildung von Heißladungstr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der Universität Helsinki und der Jane and Aatos Erkko Foundation unterstützt. S.H. dankt Erasmus+ EU-Mitteln für das Stipendium.
Materials
| 2-Propanol (anhydrous, 99.5%) | Sigma-Aldrich | 278475 | CAS Number 67-63-0 |
| Aniline (for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.22256 | CAS Number 62-53-3 |
| Azobenzene (98%) | Sigma-Aldrich | 424633 | CAS Number 103-33-3 |
| Ethanol | Honeywell | 32221 | CAS Number 64-17-5 |
| Hydrochloric acid (37%) | VWR | PRLSMC310066 | CAS Number 7647-01-0 |
| L-Lysine (crystallized, ≥98.0% (NT)) | Sigma-Aldrich | 62840 | CAS Number 56-87-1 |
| Nitric acid (65%) | Merck | 100456 | CAS Number 7697-37-2 |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 8.06770 | CAS Number 98-95-3 |
| Potassium hydroxide | Fisher | 10448990 | CAS Number 1310-58-3 |
| Potassium tetrachloropalladate (II) (98%) | Sigma-Aldrich | 205796 | CAS Number 10025-98-6 |
| Silver nitrate (ACS reagent, ≥99.0%) | Sigma-Aldrich | 209139 | CAS Number 7761-88-8 |
| Sodium borohydride (fine granular for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.06373 | CAS Number 16940-66-2 |
| Zirconium (IV) oxide (nanopowder, <100 nm particle size (TEM)) | Sigma-Aldrich | 544760 | CAS Number 1314-23-4 |
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