הכנת חלקיקי כסף-פלדיום לסגסוגת עבור קטליזה פלסמונית תחת תאורת אור גלוי
Summary
מוצג כאן הוא פרוטוקול לסינתזה של כסף פלדיום (Ag-Pd) חלקיקי מסגסוגת (NPs) נתמך על ZrO2 (Ag-Pd / ZrO2). מערכת זו מאפשרת קצירת אנרגיה מהקרנת אור נראה כדי להאיץ ולשלוט טרנספורמציות מולקולריות. זה מאויר על ידי הפחתת nitrobenzene תחת הקרנה קלה מזורז על ידי Ag-Pd / ZrO2 NPs.
Abstract
תהודה מקומית של פלסמון פני השטח (LSPR) בננו-חלקיקים פלסמוניים (NPs) יכולה להאיץ ולשלוט בסלקטיביות של מגוון טרנספורמציות מולקולריות. זה פותח אפשרויות לשימוש באור גלוי או כמעט IR כקלט בר קיימא כדי לנהוג ולשלוט בתגובות כאשר חלקיקים פלסמוניים התומכים עירור LSPR בטווחים אלה מועסקים כזרזים. למרבה הצער, זה לא המקרה עבור כמה מתכות קטליטיות כגון פלדיום (Pd). אסטרטגיה אחת להתגבר על מגבלה זו היא להעסיק NPs דו-מתכתיים המכילים מתכות פלסמוניות וקטליטיות. במקרה זה, עירור LSPR במתכת פלסמונית יכול לתרום להאיץ ולשלוט טרנספורמציות מונע על ידי הרכיב הקטליטי. השיטה המדווחת בזאת מתמקדת בסינתזה של כסף-פלדיום דו-מתכתי (Ag-Pd) NPs הנתמך ב- ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) הפועל כמערכת פלסמונית-קטליטית. NPs הוכנו על ידי ספוג משותף של מבשרי מתכת המקביל על תמיכה ZrO2 ואחריו הפחתה בו זמנית המוביל להיווצרות של NPs bimetallic ישירות על תמיכה ZrO2. Ag-Pd / ZrO2 NPs שימשו אז כזרזים פלסמוניים להפחתת nitrobenzene תחת תאורה 425 ננומטר על ידי מנורות LED. באמצעות כרומטוגרפיה גז (GC), ההמרה והבחירהיות של תגובת ההפחתה תחת תנאי הקרנה כהה ואור ניתן לפקח, המדגים את הביצועים הקטליטיים משופרת ושליטה על סלקטיביות תחת עירור LSPR לאחר סגסוגת Pd לא פלסמוני עם מתכת פלסמונית Ag. טכניקה זו יכולה להיות מותאמת למגוון רחב של טרנספורמציות מולקולריות קומפוזיציות NPs, מה שהופך אותו שימושי עבור אפיון הפעילות הקטליטית פלסמונית של סוגים שונים של קטליזה במונחים של המרה סלקטיביות.
Introduction
בין מספר יישומים של חלקיקי מתכת (NPs), קטליזה ראויה לתשומת לב מיוחדת. קטליזה ממלאת תפקיד מרכזי בעתיד בר קיימא, תורם לצריכת אנרגיה נמוכה יותר, ניצול טוב יותר של חומרי גלם, ומאפשר תנאי תגובה נקייםיותר 1,2,3,4. לכן, התקדמות בקטליזה יכולה לספק כלים לשיפור היעילות האטומית של תהליכים כימיים, מה שהופך אותם נקיים יותר, קיימא יותר מבחינה כלכלית, וידידותי יותר לסביבה. NPs מתכת המקיפים כסף (Ag), זהב (Au) או נחושת (Cu) יכול להציג תכונות אופטיות מעניינות בטווח הנראה הנובעות מהאופן הייחודי שבו מערכות אלה אינטראקציה עם אור בקנה מידה ננומטרי באמצעות תהודה פלסמון משטח מקומי (LSPR) עירור5,6,7,8. ב- NPs אלה, המכונה NPs פלסמוני, LSPR כולל את האינטראקציה תהודה בין פוטונים האירוע (מגל אלקטרומגנטי נכנס) עם התנועה הקולקטיבית של אלקטרונים5,6,7,8. תופעה זו מתרחשת בתדירות אופיינית התלויה בגודל, צורה, הרכב וקבוע דיאלקטרי שלהסביבה 9,10,11. לדוגמה, עבור Ag, Au ו- Cu, תדרים אלה יכולים לנוע בין גלוי לכמעט IR, פתיחת אפשרויות לניצול של אנרגיה סולארית כדי לרגש LSPR שלהם5,6,7,8,12,13.
לאחרונה, הוכח כי עירור LSPR ב NPs פלסמוני יכול לתרום כדי להאיץ את שיעורי ולשלוט על הסלקטיביות של טרנספורמציות מולקולריות5,14,15,16,17,18,19. זה הוליד שדה שנקרא קטליזה פלסמונית, המתמקדת בשימוש באנרגיה מאור כדי להאיץ, לנהוג ו / או לשלוט בתמורות כימיות5,14,15,16,17,18,19. בהקשר זה, נקבע כי עירור LSPR ב- NPs פלסמוני יכול להוביל להיווצרות של אלקטרונים חמים וחורים אנרגטיים, המכונה נשאים חמים נרגשים LSPR. נשאים אלה יכולים לקיים אינטראקציה עם מינים ספיחה באמצעות הפעלה אלקטרונית אורטט 15,16. בנוסף לשיעורי תגובה מוגברים, תהליך זה יכול גם לספק מסלולי תגובה חלופיים שאינם נגישים באמצעות תהליכים מסורתיים מונחי תרמוכימיה, פתיחת אפיקים חדשים לשליטה על סלקטיביות התגובה20,21,22,23,24,25. חשוב לציין כי ריקבון פלסמון יכול גם להוביל להתפוגגות תרמית, המוביל לעלייה בטמפרטורה בקרבת NPs אשר יכול גם לתרום להאיץ את שיעורי התגובה15,16.
בשל תכונות מעניינות אלה, קטליזה פלסמונית הועסקה בהצלחה לקראת מגוון רחב של טרנספורמציות מולקולריות18. עם זאת, נותר אתגר חשוב. בעוד NPs פלסמוני כגון Ag ו- Au להציג תכונות אופטיות מצוינות בטווחים גלויים כמעט IR, המאפיינים הקטליטיים שלהם מוגבלים במונחים של היקף הטרנספורמציות. במילים אחרות, הם אינם מציגים תכונות קטליטיות טובות עבור כמה טרנספורמציות. בנוסף, מתכות חשובות בקטליזה, כגון פלדיום (Pd) ופלטינה (Pt), אינן תומכות בהתרגשות LSPR בטווחים הגלויים או הקרובים ל- IR. כדי לגשר על פער זה, NPs דו-מתכתי המכיל מתכת פלסמונית וקטליטית מייצג אסטרטגיה יעילה20,26,27,28,29. במערכות אלה, המתכת הפלסמונית יכולה לשמש כאנטנה לקצירת אנרגיה מעירור האור דרך LSPR, אשר משמש לאחר מכן כדי לנהוג, להאיץ ולשלוט טרנספורמציות מולקולריות במתכת הקטליטית. לכן, אסטרטגיה זו מאפשרת לנו להרחיב קטליזה פלסמונית מעבר NPs מתכת פלסמונית מסורתית20,26,27,28,29.
פרוטוקול זה מתאר את הסינתזה של פלדיום כסף דו-מתכתי (Ag-Pd) NPs סגסוגת נתמך על ZrO2 (Ag-Pd / ZrO2) שיכול לשמש כמערכת פלסמונית-קטליטית עבור קטליזה פלסמונית. Ag-Pd /ZrO2 NPs הוכנו על ידי הפריה משותפת של מבשרי המתכת המתאימים על תמיכה ZrO2 ואחריו הפחתה בו זמנית30. גישה זו הובילה להיווצרות של NPs דו-מטרלי סביב 10 ננומטר בגודל (קוטר) ישירות על פני השטח של תמיכה ZrO2. NPs היו מורכבים 1 mol% של Pd כדי למזער את הניצול של מתכת קטליטי תוך מקסום המאפיינים האופטיים של NPs Ag-Pd וכתוצאה מכך. פרוטוקול ליישום של Ag-Pd / ZrO2 NPs בקטליזה פלסמונית הודגם להפחתת nitrobenzene. העסקנו תאורת LED 425 ננומטר עבור עירור LSPR. כרומטוגרפיית גז בוצעה כדי לפקח על ההמרה והבחירהיות של תגובת ההפחתה בתנאי ההקרנה הכהים והאור. עירור LSPR הוביל לביצועים קטליטיים משופרים ושליטה על סלקטיביות ב- Ag-Pd/ZrO2 NPs ביחס לתנאים המונעים תרמית בלבד. השיטה המתוארת בפרוטוקול זה מבוססת על הגדרת תגובה פוטו-קטליטית פשוטה בשילוב עם כרומטוגרפיית גז וניתן להתאים אותה למגוון רחב של טרנספורמציות מולקולריות והרכבי NPs. לפיכך, שיטה זו מאפשרת אפיון של פעילות פוטו-קטליטית, במונחים של המרה וסלקטיביות תגובה, של NPs שונים עבור מספר עצום של טרנספורמציות שלב נוזלי. אנו מאמינים כי מאמר זה יספק הנחיות ותובנות חשובות הן לחדשים והן למדענים מנוסים יותר בתחום.
Protocol
Representative Results
Discussion
הממצאים המתוארים בשיטה זו מראים כי הפעילות הקטליטית המהותית של Pd (או מתכת קטליטית אחרת אך לא פלסמונית) יכולה להיות משופרת באופן משמעותי על ידי עירור LSPR באמצעות הקרנת אור נראה בסגסוגת בימטריתNPs 35. במקרה זה, Ag (או מתכת פלסמונית אחרת) מסוגלת לקצור אנרגיה מהקרנת אור נראה באמצעות עי?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי אוניברסיטת הלסינקי וקרן ג’יין ואטוס ארקו. S.H. מודה ארסמוס + האיחוד האירופי כספים עבור המלגה.
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).
