Bereiding van zilver-palladium gelegeerde nanodeeltjes voor plasmonische katalyse onder zichtbare lichtverlichting
Summary
Hier wordt een protocol gepresenteerd voor de synthese van zilver-palladium (Ag-Pd) legering nanodeeltjes (NPs) ondersteund op ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2). Dit systeem maakt het mogelijk om energie te oogsten uit zichtbare lichtbestraling om moleculaire transformaties te versnellen en te beheersen. Dit wordt geïllustreerd door nitrobenzeenreductie bij lichte bestraling gekatalyseerd door Ag-Pd/ZrO2 NPs.
Abstract
Gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) in plasmonische nanodeeltjes (NPs) kan de selectiviteit van een verscheidenheid aan moleculaire transformaties versnellen en beheersen. Dit opent mogelijkheden voor het gebruik van zichtbaar of bijna-IR-licht als een duurzame input om reacties te stimuleren en te beheersen wanneer plasmonische nanodeeltjes die LSPR-excitatie in deze bereiken ondersteunen, als katalysatoren worden gebruikt. Helaas is dit niet het geval voor verschillende katalytische metalen zoals palladium (Pd). Een strategie om deze beperking te overwinnen is het gebruik van bimetallische NPs die plasmonische en katalytische metalen bevatten. In dit geval kan de LSPR-excitatie in het plasmonische metaal bijdragen aan het versnellen en beheersen van transformaties aangedreven door de katalytische component. De hierin gerapporteerde methode richt zich op de synthese van bimetaal zilver-palladium (Ag-Pd) NPs ondersteund op ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) die fungeert als een plasmoonkatalytisch systeem. De NPs werden voorbereid door het mede impregneren van overeenkomstige metaalprecursoren op de ZrO2-ondersteuning, gevolgd door gelijktijdige reductie die leidde tot de vorming van bimetaal-NPs rechtstreeks op de ZrO2-ondersteuning. De Ag-Pd/ZrO2 NPs werden vervolgens gebruikt als plasmonische katalysatoren voor de reductie van nitrobenzeen onder 425 nm verlichting door LED-lampen. Met behulp van gaschromatografie (GC) kan de conversie en selectiviteit van de reductiereactie onder de donkere en lichte bestralingsomstandigheden worden gecontroleerd, wat de verbeterde katalytische prestaties en controle over selectiviteit onder LSPR-excitatie aantoont na het legeren van niet-plasmonische Pd met plasmonisch metaal Ag. Deze techniek kan worden aangepast aan een breed scala aan moleculaire transformaties en NPs-composities, waardoor het nuttig is voor de karakterisering van de plasmonische katalytische activiteit van verschillende soorten katalyse in termen van conversie en selectiviteit.
Introduction
Van de verschillende toepassingen van metalen nanodeeltjes (NPs) verdient katalyse speciale aandacht. Katalyse speelt een centrale rol in een duurzame toekomst, draagt bij aan minder energieverbruik, een beter gebruik van grondstoffen en maakt schonere reactieomstandighedenmogelijk 1,2,3,4. Vooruitgang in katalyse kan dus hulpmiddelen bieden om de atoomefficiëntie van chemische processen te verbeteren, waardoor ze schoner, economisch levensvatbaarder en milieuvriendelijker worden. Metalen NPs die zilver (Ag), goud (Au) of koper (Cu) omvatten, kunnen interessante optische eigenschappen vertonen in het zichtbare bereik die voortvloeien uit de unieke manier waarop deze systemen interageren met licht op nanoschaal via de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) excitatie5,6,7,8. In deze NPs, aangeduid als plasmonische NPs, omvat de LSPR de resonerende interactie tussen de incidentfotonen (van een inkomende elektromagnetische golf) met de collectieve beweging van elektronen5,6,7,8. Dit fenomeen vindt plaats met een karakteristieke frequentie die afhankelijk is van de grootte, vorm, samenstelling en diëlektrische constante van de omgeving9,10,11. Voor Ag, Au en Cu kunnen deze frequenties bijvoorbeeld variëren van het zichtbare tot het bijna-IR, waardoor mogelijkheden voor het gebruik van zonne-energie worden geopend om hun LSPR5,6, 7,8, 12,13op te wekken .
Onlangs is aangetoond dat de LSPR-excitatie in plasmonische NPs kan bijdragen aan het versnellen van de snelheid en het beheersen van de selectiviteit van moleculaire transformaties5,14,15,16,17,18,19. Dit gaf aanleiding tot een veld genaamd plasmonische katalyse, dat zich richt op het gebruik van energie uit licht om chemische transformaties5,14, 15,16,17,18,19teversnellen,aan te drijven en/of te beheersen. In dit verband is vastgesteld dat de LSPR-excitatie in plasmonische NPs kan leiden tot de vorming van energetische hete elektronen en gaten, aangeduid als LSPR-opgewonden hete dragers. Deze dragers kunnen interageren met geadsorbeerde soorten door middel van elektronische of trillingsactivering15,16. Naast verhoogde reactiepercentages kan dit proces ook alternatieve reactieroutes bieden die niet toegankelijk zijn via traditionele thermochemisch aangedreven processen , waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de controle over reactieselectie20,21,22,23,24,25. Belangrijk is dat het vermeldenswaarde dat het plasmonbederf ook kan leiden tot thermische dissipatie, wat kan leiden tot een temperatuurstijging in de buurt van de NPs die ook kan bijdragen aan het versnellen van de reactiesnelheden15,16.
Vanwege deze interessante kenmerken is plasmonische katalyse met succes toegepast bij een verscheidenheid aan moleculaire transformaties18. Toch blijft er een belangrijke uitdaging bestaan. Hoewel plasmonische NPs zoals Ag en Au uitstekende optische eigenschappen vertonen in de zichtbare en bijna-IR-bereiken, zijn hun katalytische eigenschappen beperkt in termen van de reikwijdte van transformaties. Met andere woorden, ze vertonen geen goede katalytische eigenschappen voor verschillende transformaties. Bovendien ondersteunen metalen die belangrijk zijn bij katalyse, zoals palladium (Pd) en platina (Pt), geen LSPR-excitatie in de zichtbare of bijna-IR-bereiken. Om deze kloof te overbruggen , vertegenwoordigen bimetallische NPs die een plasmoon en katalytisch metaal bevatten een effectieve strategie20,26,27,28,29. In deze systemen kan het plasmonische metaal worden gebruikt als antenne om energie te oogsten uit de lichte excitatie via de LSPR, die vervolgens wordt gebruikt om moleculaire transformaties bij het katalytische metaal aan te drijven, te versnellen en te beheersen. Daarom stelt deze strategie ons in staat om plasmonische katalyse verder uit te breiden dan traditionele plasmonische metaal NPs20,26,27,28,29.
Dit protocol beschrijft de facile synthese van bimetaal zilver-palladium (Ag-Pd) gelegeerde NPs ondersteund op ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) die kan fungeren als een plasmonisch-katalytisch systeem voor plasmonische katalyse. De Ag-Pd/ZrO2 NPs werden bereid door de overeenkomstige metaalprecursoren op de ZrO2-steun mede te impregneren , gevolgd door gelijktijdigereductie 30. Deze aanpak leidde tot de vorming van bimetallische NPs van ongeveer 10 nm groot (diameter) direct aan het oppervlak van de ZrO2-ondersteuning. De NPs bestonden uit 1 mol% pd om het gebruik van het katalytische metaal te minimaliseren en tegelijkertijd de optische eigenschappen van de resulterende Ag-Pd NPs te maximaliseren. Voor de vermindering van nitrobenzeen werd een protocol voor de toepassing van de Ag-Pd/ZrO2 NPs in plasmonische katalyse aangetoond. Voor de LSPR-excitatie hebben we 425 nm LED-verlichting gebruikt. Gaschromatografie werd uitgevoerd om de omzetting en selectiviteit van de reductiereactie onder de donkere en lichte bestralingsomstandigheden te controleren. LSPR-excitatie leidde tot verbeterde katalytische prestaties en controle over selectiviteit in Ag-Pd/ZrO2 NPs in verhouding tot zuiver thermisch aangedreven omstandigheden. De methode die in dit protocol wordt beschreven, is gebaseerd op een eenvoudige fotokatalytische reactieopstelling in combinatie met gaschromatografie en kan worden aangepast aan een breed scala aan moleculaire transformaties en NPs-composities. Deze methode maakt dus de karakterisering van fotokatalytische activiteit mogelijk, in termen van conversie en reactie selectiviteit, van verschillende NPs en voor een groot aantal transformaties in vloeibare fasen. We geloven dat dit artikel belangrijke richtlijnen en inzichten zal bieden aan zowel nieuwkomers als meer ervaren wetenschappers in het veld.
Protocol
Representative Results
Discussion
De bevindingen die in deze methode worden beschreven, tonen aan dat de intrinsieke katalytische activiteit van Pd (of ander katalytisch maar niet plasmonisch metaal) aanzienlijk kan worden verbeterd door LSPR-excitatie via zichtbare lichtbestraling in bimetaalgelegeerde NPs35. In dit geval is Ag (of een ander plasmonisch metaal) in staat om energie te oogsten uit zichtbaar-lichtbestraling via LSPR-excitatie. De LSPR-excitatie leidt tot de vorming van hete ladingsdragers (hete elektronen en gaten) …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door de Universiteit van Helsinki en de Jane and Aatos Erkko Foundation. S.H. dankt Erasmus+ EU-fondsen voor de fellowship.
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 |
References
- Dunn, P. J., Hii, K. K., Krische, M. J., Williams, M. T. . Sustainable Catalysis: Challenges and Pratices for the Pharmaceutical and Fine Chemical Industries. , (2013).
- Tzouras, N. V., Stamatopoulos, I. K., Papastavrou, A. T., Liori, A. A., Vougioukalakis, G. C. Sustainable metal catalysis in C-H activation. Coordination Chemistry Reviews. 343, 25 (2017).
- Polshettiwar, V., Varma, R. S. Green chemistry by nano-catalysis. Green Chemistry. 12 (5), 743 (2010).
- Rodrigues, T. S., da Silva, A. G. M., Camargo, P. H. C. Nanocatalysis by noble metal nanoparticles: controlled synthesis for the optimization and understanding of activities. Journal of Materials Chemistry A. 7 (11), 5857-5874 (2019).
- Linic, S., Christopher, P., Ingram, D. B. Plasmonic-metal nanostructures for efficient conversion of solar to chemical energy. Nature Materials. 10 (12), 911-921 (2011).
- Nam, J. M., Liz-Marzán, L., Halas, N. Chemical Nanoplasmonics: Emerging Interdisciplinary Research Field at Crossroads between Nanoscale Chemistry and Plasmonics. Accounts of Chemical Research. 52 (11), 2995-2996 (2019).
- Brongersma, M. L., Halas, N. J., Nordlander, P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechnology. 10 (1), 25-34 (2015).
- Smith, J. G., Faucheaux, J. A., Jain, P. K. Plasmon resonances for solar energy harvesting: A mechanistic outlook. Nano Today. 10 (1), 67-80 (2015).
- Hartland, G. V. Optical studies of dynamics in noble metal nanostructures. Chemical Reviews. 111 (6), 3858-3887 (2011).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. Journal of Physical Chemistry B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Hermoso, W., et al. Triangular metal nanoprisms of Ag, Au, and Cu: Modeling the influence of size, composition, and excitation wavelength on the optical properties. Chemical Physics. 423, 142-150 (2013).
- Kumar, A., et al. Rational Design and Development of Lanthanide-Doped NaYF4@CdS-Au-RGO as Quaternary Plasmonic Photocatalysts for Harnessing Visible-Near-Infrared Broadband Spectrum. ACS Applied Materials and Interfaces. 10 (18), 15565-15581 (2018).
- Reddy, K. L., Kumar, S., Kumar, A., Krishnan, V. Wide spectrum photocatalytic activity in lanthanide-doped upconversion nanophosphors coated with porous TiO2 and Ag-Cu bimetallic nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 367, 694-705 (2019).
- Ingram, D. B., Linic, S. Water splitting on composite plasmonic-metal/semiconductor photoelectrodes: Evidence for selective plasmon-induced formation of charge carriers near the semiconductor surface. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5202-5205 (2011).
- Linic, S., Aslam, U., Boerigter, C., Morabito, M. Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles. Nature Materials. 14 (6), 567-576 (2015).
- Aslam, U., Rao, V. G., Chavez, S., Linic, S. Catalytic conversion of solar to chemical energy on plasmonic metal nanostructures. Nature Catalyst. 1, 656-665 (2018).
- Araujo, T. P., Quiroz, J., Barbosa, E. C. M., Camargo, P. H. C. Understanding plasmonic catalysis with controlled nanomaterials based on catalytic and plasmonic metals. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 39, 110-122 (2019).
- Gellé, A., et al. Applications of plasmon-enhanced nanocatalysis to organic transformations. Chemical Reviews. , 986-1041 (2020).
- Shaik, F., Peer, I., Jain, P. K., Amirav, L. Plasmon-Enhanced Multicarrier Photocatalysis. Nano Letters. 18 (7), 4370-4376 (2018).
- Quiroz, J., et al. Controlling Reaction Selectivity over Hybrid Plasmonic Nanocatalysts. Nano Letters. 18, 7289-7297 (2018).
- Peiris, E., et al. Plasmonic Switching of the Reaction Pathway: Visible-Light Irradiation Varies the Reactant Concentration at the Solid-Solution Interface of a Gold-Cobalt Catalyst. Angewandte Chemie – International Edition. 58 (35), 12032-12036 (2019).
- Yu, S., Wilson, A. J., Heo, J., Jain, P. K. Plasmonic Control of Multi-Electron Transfer and C-C Coupling in Visible-Light-Driven CO2 Reduction on Au Nanoparticles. Nano Letters. 18 (4), 2189-2194 (2018).
- Yu, S., Jain, P. K. Plasmonic photosynthesis of C 1 -C 3 hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid. Nature Communications. 10, 2022 (2019).
- Zhang, X., et al. Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation. Nature Communications. 8, 1-9 (2017).
- Cortés, E. Efficiency and Bond Selectivity in Plasmon-Induced Photochemistry. Advanced Optical Materials. 5 (15), 1700191 (2017).
- de Freitas, I. C., et al. Design-controlled synthesis of IrO 2 sub-monolayers on Au nanoflowers: marrying plasmonic and electrocatalytic properties. Nanoscale. , 23-27 (2020).
- Zhang, C., et al. Al-Pd Nanodisk Heterodimers as Antenna-Reactor Photocatalysts. Nano Letters. 16 (10), 6677-6682 (2016).
- Zhou, L., et al. Light-driven methane dry reforming with single atomic site antenna-reactor plasmonic photocatalysts. Nature Energy. 5, 61-70 (2020).
- Swearer, D. F., et al. Heterometallic antenna-reactor complexes for photocatalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (32), 8916-8920 (2016).
- Peiris, S., Sarina, S., Han, C., Xiao, Q., Zhu, H. -. Y. Silver and palladium alloy nanoparticle catalysts: reductive coupling of nitrobenzene through light irradiation. Dalton Transactions. 46 (32), 10665-10672 (2017).
- Rahm, J. M., et al. A Library of Late Transition Metal Alloy Dielectric Functions for Nanophotonic Applications. Advanced Functional Materials. 2002122, 02122 (2020).
- Zhang, C., Chen, B. Q., Li, Z. Y., Xia, Y., Chen, Y. G. Surface Plasmon Resonance in Bimetallic Core-Shell Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 119 (29), 16836-16845 (2015).
- Liu, Z., Huang, Y., Xiao, Q., Zhu, H. Selective reduction of nitroaromatics to azoxy compounds on supported Ag-Cu alloy nanoparticles through visible light irradiation. Green Chemistry. 18 (3), 817-825 (2016).
- Chaiseeda, K., Nishimura, S., Ebitani, K. Gold nanoparticles supported on alumina as a catalyst for surface plasmon-enhanced selective reductions of nitrobenzene. ACS Omega. 2 (10), 7066-7070 (2017).
- Peiris, S., et al. Metal nanoparticle photocatalysts: emerging processes for green organic synthesis. Catalysis Science and Technology. 6 (2), 320-338 (2016).
- García-García, I., et al. Silver-Based Plasmonic Catalysts for Carbon Dioxide Reduction. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (4), 1879-1887 (2020).
- Agrawal, A., Johns, R. W., Milliron, D. J. Control of Localized Surface Plasmon Resonances in Metal Oxide Nanocrystals. Annual Review of Materials Research. 47 (1), 1-31 (2017).
- Lounis, S. D., Runnerstrom, E. L., Llordés, A., Milliron, D. J. Defect chemistry and Plasmon physics of colloidal metal oxide Nanocrystals. Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (9), 1564-1574 (2014).
- Rej, S., et al. Determining Plasmonic Hot Electrons and Photothermal Effects during H2 Evolution with TiN-Pt Nanohybrids. ACS Catalysis. 10 (9), 5261-5271 (2020).
- Barragan, A. A., et al. Photochemistry of Plasmonic Titanium Nitride Nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (35), 21796-21804 (2019).
