Forberedelse af sølv-palladium legerede nanopartikler til plasmonisk katalyse under synlig lysbelysning
Summary
Præsenteret her er en protokol for syntese af sølv-palladium (Ag-Pd) legering nanopartikler (NPs) understøttet på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2). Dette system gør det muligt at høste energi fra synlig lysbestråling for at fremskynde og kontrollere molekylære transformationer. Dette illustreres af nitrobenzenreduktion under let bestråling katalyseret af Ag-Pd/ZrO2 NPs.
Abstract
Lokaliseret overfladeplasmon resonans (LSPR) i plasmoniske nanopartikler (NPs) kan accelerere og kontrollere selektiviteten af en række molekylære transformationer. Dette åbner muligheder for brug af synligt eller nær-IR-lys som et bæredygtigt input til at drive og kontrollere reaktioner, når plasmoniske nanopartikler, der understøtter LSPR-excitation i disse serier, anvendes som katalysatorer. Desværre er dette ikke tilfældet for flere katalytiske metaller som palladium (Pd). En strategi for at overvinde denne begrænsning er at anvende bimetalliske NPs indeholder plasmoniske og katalytiske metaller. I dette tilfælde kan LSPR-excitationen i plasmonisk metal bidrage til at fremskynde og kontrollere transformationer drevet af den katalytiske komponent. Den metode, der rapporteres heri, fokuserer på syntesen af bimetallisk sølvpaladium (Ag-Pd) NPs understøttet på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2),der fungerer som et plasonisk-katalytisk system. NP’erne blev udarbejdet ved co-imprægnering af tilsvarende metalprækursorer på ZrO2-støtten efterfulgt af samtidig reduktion, hvilket førte til dannelsen af bimetalliske NPs direkte på ZrO2-støtten. Ag-Pd/ZrO2 NP’er blev derefter brugt som plasmoniske katalysatorer til reduktion af nitrobenzen under 425 nm belysning af LED-lamper. Ved hjælp af gaskromatografi (GC) kan omdannelsen og selektiviteten af reduktionsreaktionen under de mørke og lyse bestrålingsforhold overvåges, hvilket viser den forbedrede katalytiske ydeevne og kontrol over selektivitet under LSPR-excitation efter legering af ikke-plasonisk Pd med plasonisk metal Ag. Denne teknik kan tilpasses en bred vifte af molekylære transformationer og NPs-kompositioner, hvilket gør den nyttig til karakterisering af den plasmoniske katalytiske aktivitet af forskellige typer katalyse med hensyn til konvertering og selektivitet.
Introduction
Blandt de mange anvendelser af metal nanopartikler (NPs), katalyse fortjener særlig opmærksomhed. Katalyse spiller en central rolle i en bæredygtig fremtid, der bidrager til mindre energiforbrug, bedre udnyttelse af råmaterialer og muliggør renere reaktionsforhold1,2,3,4. Således kan fremskridt inden for katalyse give værktøjer til at forbedre den atomare effektivitet af kemiske processer, hvilket gør dem renere, mere økonomisk levedygtige og mere miljøvenlige. Metal NPs omfatter sølv (Ag), guld (Au) eller kobber (Cu) kan vise interessante optiske egenskaber i det synlige område, der opstår fra den unikke måde, disse systemer interagerer med lys på nanoskala via den lokaliserede overflade plasmon resonans (LSPR) excitation5,6,7,8. I disse NPs, benævnt plasmoniske NPs, LSPR omfatter resonans interaktion mellem hændelsen fotoner (fra en indgående elektromagnetisk bølge) med den kollektive bevægelse af elektroner5,6,7,8. Dette fænomen finder sted med en karakteristisk frekvens, der er afhængig af miljøets størrelse, form, sammensætning og dielektriske konstant9,10,11. For Ag, Au og Cu kan disse frekvenserf.eks.
For nylig er det blevet påvist, at LSPR-excitationen i plasmoniske NPs kan bidrage til at fremskynde satserne og kontrollere selektiviteten af molekylære transformationer5,14,15,16,17,18,19. Dette fødte et feltkaldetplasmonisk katalyse, der fokuserer på at bruge energi fra lys til at accelerere, drive og / eller kontrollere kemiske transformationer 5,14,15,16,17,18,19. I denne forbindelse er det blevet fastslået, at LSPR excitation i plasmoniske NPs kan føre til dannelsen af energiske varme elektroner og huller, benævnt LSPR-ophidsede varme bærere. Disse bærere kan interagere med adsorberede arter gennem elektronisk eller vibrationel aktivering15,16. Ud over øgede reaktionshastigheder kan denne proces også give alternative reaktionsveje , der ikke er tilgængelige via traditionelle termokemisk drevne processer, hvilket åbner nye muligheder for kontrol over reaktions selektivitet20,21,22,23,24,25. Det er vigtigt at bemærke, at plasmon henfald også kan føre til termisk spredning, hvilket fører til en temperaturstigning i nærheden af NPs, som også kan bidrage til at fremskynde reaktionshastigheder15,16.
På grund af disse interessante funktioner er plasmonisk katalyse med succes blevet anvendt til en række molekylære transformationer18. Ikke desto mindre er der stadig en vigtig udfordring. Mens plasmoniske NPs såsom Ag og Au viser fremragende optiske egenskaber i de synlige og nær-IR-intervaller, er deres katalytiske egenskaber begrænset med hensyn til omfanget af transformationer. Med andre ord viser de ikke gode katalytiske egenskaber til flere transformationer. Derudover understøtter metaller, der er vigtige i katalyse, såsom palladium (Pd) og platin (Pt), ikke LSPR-excitation i de synlige eller nær-IR-intervaller. For at bygge bro over denne kløft repræsenterer bimetalliske NP’er , der indeholder et plasonisk og katalytisk metal , en effektiv strategi20,26,27,28,29. I disse systemer kan plasmonisk metal bruges som antenne til at høste energi fra lys excitation gennem LSPR, som derefter bruges til at drive, accelerere og kontrollere molekylære transformationer ved det katalytiske metal. Derfor giver denne strategi os mulighed for at udvide plasmonisk katalyse ud over traditionelle plasmoniske metal-NPs20,26,27,28,29.
Denne protokol beskriver facile syntesen af bimetallic sølv-palladium (Ag-Pd) legeret NPs understøttet på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2), der kan fungere som en plasmonisk-katalytisk system til plasmonisk katalyse. Ag-Pd/ZrO2 NP’erne blev fremstillet ved co-imprægnering af de tilsvarende metalprækursorer på ZrO2-støtten efterfulgt af samtidig reduktion30. Denne fremgangsmåde førte til dannelsen af bimetalliske NPs omkring 10 nm i størrelse (diameter) direkte på overfladen af ZrO2 støtte. NP’erne bestod af 1 mol% af Pd for at minimere udnyttelsen af det katalytiske metal og samtidig maksimere de optiske egenskaber af de resulterende Ag-Pd NPs. Der blev påvist en protokol for anvendelse af AG-Pd/ZrO2 IP’er i plasmonisk katalyse med henblik på reduktion af nitrobenzen. Vi brugte 425 nm LED-belysning til LSPR-excitationen. Gaskromatografi blev udført for at overvåge omdannelsen og selektiviteten af reduktionsreaktionen under de mørke og lyse bestrålingsforhold. LSPR-excitation førte til forbedret katalytisk ydeevne og kontrol over selektivitet i Ag-Pd/ZrO2 NP’er i forhold til rent termisk drevne forhold. Den metode, der er beskrevet i denne protokol, er baseret på en simpel fotokatalytisk reaktionsopsætning kombineret med gaskromatografi og kan tilpasses en bred vifte af molekylære transformationer og NPs-sammensætninger. Således gør denne metode det muligt at karakterisere fotokatalytisk aktivitet med hensyn til konvertering og reaktions selektivitet af forskellige NPs og for et utal af væskefasetransformationer. Vi mener, at denne artikel vil give vigtige retningslinjer og indsigter til både nyankomne og mere erfarne forskere på området.
Protocol
Representative Results
Discussion
De fund, der er beskrevet i denne metode, viser , at pds iboende katalytiske aktivitet (eller anden katalytisk, men ikke plasonisk metal) kan forbedres betydeligt ved LSPR-excitation via synlig lysbestråling i bimetallegeret NPs35. I dette tilfælde er Ag (eller et andet plasonisk metal) i stand til at høste energi fra synlig lysbestråling via LSPR-excitation. LSPR-excitationen fører til dannelse af varme ladebærere (varme elektroner og huller) og lokaliseret opvarmning5</su…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Universitetet i Helsinki og Jane og Aatos Erkko Foundation. S.H. takker Erasmus+ EU-midler for stipendiet.
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 |
Riferimenti
- 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).
