Síntesis y rendimiento catalítico de Oro intercalados en las Murallas de sílice mesoporoso
Summary
Here, we present a protocol with a sol-gel process to synthesize gold intercalated in the walls of mesoporous materials (GMS), which is confirmed to possess a mesoporous matrix with gold intercalated in the walls imparting great stability and recyclability.
Abstract
Como un reactor nano catalíticamente activo prometedor, nanopartículas de oro intercaladas en sílice mesoporosos (GMS) se sintetizaron con éxito y propiedades de los materiales fueron investigados. Se utilizó un enfoque de sol-gel de una olla para intercalar las nanopartículas de oro en las paredes de sílice mesoporosa. Para comenzar con la síntesis, P123 se utilizó como molde para formar micelas. Entonces TESPTS fue utilizado como un agente de modificación de la superficie para intercalar nano partículas de oro. Después de este proceso, se añadió en TEOS como una fuente de sílice que se sometió a un proceso de polimerización en medio ácido. Después del procesamiento hidrotérmico y de calcinación, el producto final fue adquirida. Se utilizaron varias técnicas para caracterizar la porosidad, la morfología y la estructura del oro intercalado de sílice mesoporosa. Los resultados mostraron una estructura estable de sílice mesoporosa después de la intercalación de oro. A través de la oxidación del alcohol bencílico como una reacción de referencia, los materiales GMS mostraron alta selectividad y reciclabilidad.
Introduction
Como una tecnología emergente que tiene un gran potencial en aplicaciones de catálisis, materiales a nanoescala han recibido interés de investigación intensiva en las últimas décadas. Entre los catalizadores nanoescala reportados, catalizadores de metales nobles como Au, Ag, Pd y Pt han atraído la atención mundial 1.3. Seleccione reacciones catalíticas incluyen la oxidación de los investigadores de monóxido de carbono en Au, reacción de Heck en catalizadores de Pd, y la división de agua con Pt. A pesar de la potencial catalítico prometedor, oro nanoescala está limitada en su aplicabilidad debido a la desactivación de la intoxicación, coquización, la degradación térmica, y la sinterización. Se ha informado de que el oro, como representante de los metales nobles, tiene una alta selectividad y es menos propenso a la lixiviación del metal, la sobre-oxidación, y la auto-envenenamiento 4. Sin embargo, el rendimiento catalítico de oro depende en gran medida el tamaño de partícula. Haruta et al. Ha informado de la relación entre el rendimiento catalítico e irdiámetro clúster ld, lo que demuestra la mayor actividad de los catalizadores de oro con el tamaño de partícula ~ 2.7 nm 5.
El tamaño de partícula de los metales nobles puede ser controlado por el método de preparación 6-9; Sin embargo, el mayor obstáculo hacia la amplia aplicación sigue siendo la agregación y la pérdida de actividad. Para resolver el problema de la sinterización, un método común es inmovilizar partículas a nanoescala en un material de soporte. Diversos materiales de apoyo se han aplicado incluyendo sílice porosa 10-11, óxidos metálicos semiconductores 12-13, polímeros 14, el grafeno y los nanotubos de carbono 15 16. Entre los materiales utilizados, sílice poroso es un material atractivo como un soporte, ya que es sólo ligeramente ácido, relativamente inerte, térmicamente y químicamente estables, y se puede preparar con meso / micro-porosidad muy bien definido. La estructura porosa proporciona un buen apoyo para las partículas de metal, sino también imparte Acceso tamaño del sustrato selectivolos catalizadores de metal. Esta selectividad es particularmente prometedor debido a la capacidad de ajuste asociado con estos materiales porosos. A menudo, las partículas de oro se encuentran para ser extremadamente móvil sobre superficies de sílice 17-18 y fácilmente formar muy grandes (50+ nm) partículas no reactivos cuando se expone a altas temperaturas, por lo que es difícil preparar nanopartículas de oro sobre sílice 19. Mukherjee et al. Inmovilización informado de nanopartículas de oro monodispersados en mesoporoso MCM-41 de sílice en un 3-aminopropil-trimetoxisilano y 3-mercaptopropil-trietoxisilano, y las nanopartículas de oro soportadas resultaron ser altamente activo para reacciones de hidrogenación y se constató la existencia de lixiviación de oro en la reacción 20.
Tras el informe de la modificación de la superficie de la sílice mesoporosa, reportamos un método para preparar el oro intercaladas en la pared de la sílice mesoporosa (GMS). Además, el enfoque apoyado sílice mesoporosa ofrece una ap escalableabordaje potencialmente altera de forma independiente el catalizador y el medio ambiente poroso. Dado que los procesos catalíticos son de vital importancia económica, los beneficios podrían ser de largo alcance. La capacidad de desarrollar catalizadores "verdes" tendría un profundo impacto positivo en el medio ambiente y mejorar la viabilidad y eficiencia de los recursos económicos de los procesos industriales importantes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dentro del protocolo de síntesis, la atención a la concentración de tensioactivo, el pH de la solución de reacción y la temperatura es crítica para la formación exitosa de GMS. Los pasos críticos son 1.2, 1.3, 1.4 y 1.6. Los parámetros mencionados anteriormente controlar el parámetro crítico de embalaje y la fase de micelas formadas a partir de tensioactivo. La fase y la morfología de la micela determina el estado final de la matriz de sílice, que sirve como marco para GMS. También es importante en el proc…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors acknowledge National Science Foundation grant CHE- 1214068 for supporting this research project.
Materials
| poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) | Aldrich | 435465-250ML | |
| tetraethoxysilane | TCI | 201-083-8 | |
| bis[3-(triethoxysilyl)propyl]-tetrasulfide | GELEST | SIB1825.0-100GM | |
| chloroauric acid | Aldrich | 520918-1G | |
| benzyl alcohol | Sigma-Aldrich | 305197-1L | |
| nitrogen physisorption | Micromeritics | Tristar II | |
| X-ray diffraction | Philips | X'Pert Pro | |
| transmission electron microscopy | Philips | CM200 | |
| gas chromatography | Shimadzu | GC-2010 |
References
- Liguras, D. K., Kondarides, D. I., Verykios, X. E. Production of hydrogen for fuel cells by steam reforming of ethanol over supported noble metal catalysts. Appl. Catal. B-Environ. 43 (4), 345-354 (2003).
- Gelin, P., Primet, M. Complete oxidation of methane at low temperature over noble metal based catalysts: a review. Appl. Catal. B-Environ. 39 (1), 1-37 (2002).
- Lu, S. F., Pan, J., Huang, A. B., Zhuang, L., Lu, J. T. Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105 (52), 20611-20614 (2008).
- Ma, C. Y., et al. Catalytic oxidation of benzyl alcohol on Au or Au–Pd nanoparticles confined in mesoporous silica. Applied Catalysis B: Environmental. 92 (1-2), 202-208 (2009).
- Bamwenda, G. R., Tsubota, S., Nakamura, T., Haruta, M. The influence of the preparation methods on the catalytic activity of platinum and gold supported on TiO2 for CO oxidation. Catalysis Letters. 44 (1-2), 83-87 (1997).
- Brown, K. R., Walter, D. G., Natan, M. J. Seeding of colloidal Au nanoparticle solutions. 2. Improved control of particle size. 12 (2), 306-313 (2000).
- Niesz, K., Grass, M., Somorjai, G. A. Precise control of the Pt nanoparticle size by seeded growth using EO13PO30EO13 triblock copolymers as protective agents. Nano Lett. 5 (11), 2238-2240 (2005).
- Yuranov, I., et al. Pd/SiO2 catalysts: synthesis of Pd nanoparticles with the controlled size in mesoporous silicas. J. Mol. Catal. A-Chem. 192, 1-2 (2003).
- Brinas, R. P., Hu, M. H., Qian, L. P., Lymar, E. S., Hainfeld, J. F. Gold nanoparticle size controlled by polymeric Au(I) thiolate precursor size. J. Am. Chem. Soc. 130 (3), 975-982 (2008).
- Zhu, H. G., Liang, C. D., Yan, W. F., Overbury, S. H., Dai, S. Preparation of highly active silica-supported Au catalysts for CO oxidation by a solution-based technique. J. Phys. Chem. B. 110 (22), 10842-10848 (2006).
- Gabaldon, J. P., Bore, M., Datye, A. K. Mesoporous silica supports for improved thermal stability in supported Au catalysts. Top. Catal. 44 (1-2), 253-262 (2007).
- Li, F. B., Li, X. Z. The enhancement of photodegradation efficiency using Pt-TiO2 catalyst. Chemosphere. 48 (10), 1103-1111 (2002).
- Sakthivel, S., et al. Enhancement of photocatalytic activity by metal deposition: characterisation and photonic efficiency of Pt, Au and Pd deposited on TiO2 catalyst. Water Res. 38 (13), 3001-3008 (2004).
- Jia, C. G., Wang, Y. P., Feng, H. Y. Preparation and Catalytic Properties Of Polymer-Supported Fe-Co-Cu And Fe-Co-Au Pentametallic Clusters. React. Polym. 18 (3), 203-211 (1992).
- Yu, X. Q., et al. Reduced graphene oxide supported Au nanoparticles as an efficient catalyst for aerobic oxidation of benzyl alcohol. Appl. Surf. Sci. 280, 450-455 (2013).
- Xu, Y. Y., et al. Au@Pt core-shell nanoparticles supported on multiwalled carbon nanotubes for methanol oxidation. Catal. Commun. 13 (1), 54-58 (2011).
- Baker, C. O., et al. Size Control of Gold Nanoparticles Grown on Polyaniline Nanofibers for Bistable Memory Devices. ACS Nano. 5 (5), 3469-3474 (2011).
- Wei, G. -. T., Yang, Z., Lee, C. Y., Yang, H. Y., Wang, C. R. Aqueous−Organic Phase Transfer of Gold Nanoparticles and Gold Nanorods Using an Ionic Liquid. J. Am. Chem. Soc. 126 (16), 5036-5037 (2004).
- Gadenne, B., Hesemann, P., Moreau, J. E. Supported ionic liquids: ordered mesoporous silicas containing covalently linked ionic species. Chemical Communications. 15, 1768-1769 (2004).
- Yang, J. H., et al. Understanding preparation variables in the synthesis of Au/Al2O3 using EXAFS and electron microscopy. Applied Catalysis A: General. 291 (1-2), 73-84 (2005).
- Chen, L. F., et al. Intercalation of aggregation-free and well-dispersed gold nanoparticles into the walls of mesoporous silica as a robust ‘green’ catalyst for n-alkane oxidation. Journal of the American Chemical Society. 131, 914-915 (2009).
- Wang, X., et al. Nanoscale gold intercalated into mesoporous silica as a highly active and robust catalyst. Nanotechnology. 23, 294010-294018 (2012).
- Chen, L. F., et al. Controlled synthesis of nanoscale icosahedral gold particles at room temperature. Chemcatchem. 4, 1662-1667 (2012).
