Fremstilling av sølv-Palladium legerte nanopartikler for plasmonisk katalyse under synlig lysbelysning
Summary
Presentert her er en protokoll for syntesen av sølv-palladium (Ag-Pd) legering nanopartikler (NPs) støttes på ZrO2 (Ag-Pd / ZrO2). Dette systemet gjør det mulig å høste energi fra synlig lysbestråling for å akselerere og kontrollere molekylære transformasjoner. Dette illustreres ved nitrobenzenreduksjon under lett bestråling katalysert av Ag-Pd/ZrO2 NPs.
Abstract
Lokalisert overflateplasmonresonans (LSPR) i plasmoniske nanopartikler (NPs) kan akselerere og kontrollere selektiviteten til en rekke molekylære transformasjoner. Dette åpner muligheter for bruk av synlig eller nær IR-lys som en bærekraftig inngang for å drive og kontrollere reaksjoner når plasmoniske nanopartikler som støtter LSPR-eksitasjon i disse områdene, brukes som katalysatorer. Dessverre er dette ikke tilfelle for flere katalytiske metaller som palladium (Pd). En strategi for å overvinne denne begrensningen er å bruke bimetalliske NPer som inneholder plasmoniske og katalytiske metaller. I dette tilfellet kan LSPR-eksitasjonen i det plasmoniske metallet bidra til å akselerere og kontrollere transformasjoner drevet av den katalytiske komponenten. Metoden som rapporteres her fokuserer på syntesen av bimetalliske sølvpaladium (Ag-Pd) NPs støttet på ZrO2 (Ag-Pd/ ZrO2) som fungerer som et plasmonic-katalytisk system. NPs ble utarbeidet ved samtidig impregnering av tilsvarende metallforløpere på ZrO2-støtten etterfulgt av samtidig reduksjon som førte til dannelsen av bimetalliske NPer direkte på ZrO2-støtten. Ag-Pd/ZrO2 NPs ble deretter brukt som plasmoniske katalysatorer for reduksjon av nitrobenzen under 425 nm belysning av LED-lamper. Ved hjelp av gasskromatografi (GC) kan konverteringen og selektiviteten av reduksjonsreaksjonen under de mørke og lette bestrålingsforholdene overvåkes, noe som viser den forbedrede katalytiske ytelsen og kontrollen over selektiviteten under LSPR-eksitasjon etter legering av ikke-plasmonisk Pd med plasmonisk metall Ag. Denne teknikken kan tilpasses et bredt spekter av molekylære transformasjoner og NPs komposisjoner, noe som gjør den nyttig for karakteriseringen av den plasmoniske katalytiske aktiviteten til forskjellige typer katalyse når det gjelder konvertering og selektivitet.
Introduction
Blant de flere anvendelser av metall nanopartikler (NPs), katalyse fortjener spesiell oppmerksomhet. Katalyse spiller en sentral rolle i en bærekraftig fremtid, bidrar til mindre energiforbruk, bedre utnyttelse av råvarer, og muliggjør renere reaksjonsforhold1,2,3,4. Dermed kan fremgang i katalyse gi verktøy for å forbedre atomeffektiviteten til kjemiske prosesser, noe som gjør dem renere, mer økonomisk levedyktige og mer miljøvennlige. Metall-NPer som omfatter sølv (Ag), gull (Au) eller kobber (Cu) kan vise interessante optiske egenskaper i det synlige området som oppstår fra den unike måten disse systemene samhandler med lys på nanoskalaen via den lokaliserte overflaten plasmon resonans (LSPR) excitation5,6,7,8. I disse NPs, referert til som plasmoniske NPs, består LSPR resonans interaksjon mellom hendelsen fotoner (fra en innkommende elektromagnetisk bølge) med den kollektive bevegelsen av elektroner5,6,7,8. Dette fenomenet foregår med en karakteristisk frekvens som er avhengig av størrelse, form, sammensetning og dielektrisk konstant av miljøet9,10,11. For Ag, Au og Cu kan for eksempel disse frekvensene variere fra det synlige til nær-IR, og åpne opp muligheter for utnyttelse av solenergi for å opphisse deres LSPR5,6,7,8,12,13.
Nylig har det blitt vist at LSPR eksitasjon i plasmoniske NPs kan bidra til å akselerere prisene og kontrollere selektiviteten av molekylære transformasjoner5,14,15,16,17,18,19. Dette fødte et felt kalt plasmonisk katalyse, som fokuserer på å bruke energi fra lys til å akselerere, kjøre og / eller kontrollere kjemisketransformasjoner 5,14,15,16,17,18,19. I denne sammenheng har det blitt fastslått at LSPR-eksitasjonen i plasmoniske NPer kan føre til dannelse av energiske varme elektroner og hull, referert til som LSPR-begeistrede varme bærere. Disse bærerne kan samhandle med adsorrerte arter gjennom elektronisk eller vibrasjonsaktivering15,16. I tillegg til økte reaksjonshastigheter, kan denne prosessen også gi alternative reaksjonsveier som ikke er tilgjengelige via tradisjonelle termokjemisk drevne prosesser, og åpne opp nye veier for kontroll over reaksjonsvalg20,21,22,23,24,25. Viktigere er det verdt å legge til at plasmonforfallet også kan føre til termisk spredning, noe som fører til en temperaturøkning i nærheten av NPs som også kan bidra til å øke hastigheten på reaksjonshastigheten15,16.
På grunn av disse interessante funksjonene har plasmonisk katalyse blitt ansatt mot en rekke molekylære transformasjoner18. Likevel gjenstår en viktig utfordring. Mens plasmoniske NPer som Ag og Au viser gode optiske egenskaper i de synlige og nær-IR-områdene, er deres katalytiske egenskaper begrenset når det gjelder omfanget av transformasjoner. Med andre ord viser de ikke gode katalytiske egenskaper for flere transformasjoner. I tillegg støtter ikke metaller som er viktige i katalyse, som palladium (Pd) og platina (Pt), LSPR-eksitasjon i synlige eller nær-IR-områder. For å bygge bro over dette gapet representerer bimetalliske NPer som inneholder et plasmonisk og katalytisk metall en effektivstrategi 20,26,27,28,29. I disse systemene kan det plasmoniske metallet brukes som antenne for å høste energi fra lyseksitasjonen gjennom LSPR, som deretter brukes til å kjøre, akselerere og kontrollere molekylære transformasjoner ved katalytisk metall. Derfor gjør denne strategien oss i stand til å utvide plasmonisk katalyse utover tradisjonelle plasmoniske metall NPs20,26,27,28,29.
Denne protokollen beskriver den facile syntesen av bimetall sølv-palladium (Ag-Pd) legert NPer støttet på ZrO2 (Ag-Pd / ZrO2) som kan fungere som et plasmonic-katalytisk system for plasmonisk katalyse. Ag-Pd/ZrO2 NPs ble utarbeidet ved samtidig impregnering av tilsvarende metallforløpere på ZrO2-støtten etterfulgt av samtidig reduksjon30. Denne tilnærmingen førte til dannelsen av bimetalliske NPer rundt 10 nm i størrelse (diameter) direkte på overflaten av ZrO2-støtten. NPs var sammensatt av 1 mol% av Pd for å minimere utnyttelsen av katalytisk metall samtidig som de optiske egenskapene til de resulterende Ag-Pd NPs. En protokoll for anvendelse av Ag-Pd/ZrO2 NPs i plasmonisk katalyse ble demonstrert for reduksjon av nitrobenzen. Vi ansatte 425 nm LED-belysning for LSPR-eksitasjonen. Gasskromatografi ble utført for å overvåke konverteringen og selektiviteten til reduksjonsreaksjonen under de mørke og lette bestrålingsforholdene. LSPR-eksitasjon førte til forbedret katalytisk ytelse og kontroll over selektivitet i Ag-Pd/ZrO2 NPs i forhold til rent termisk drevne forhold. Metoden som er beskrevet i denne protokollen er basert på et enkelt fotokatalytisk reaksjonsoppsett kombinert med gasskromatografi og kan tilpasses et bredt spekter av molekylære transformasjoner og NPs-komposisjoner. Dermed gjør denne metoden mulig karakterisering av fotocatalytisk aktivitet, når det gjelder konvertering og reaksjonsveldtivitet, av forskjellige NPer og for en myriade av væskefasetransformasjoner. Vi tror denne artikkelen vil gi viktige retningslinjer og innsikt til både nykommere og mer erfarne forskere på feltet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Funnene som er beskrevet i denne metoden, viser at den iboende katalytiske aktiviteten til Pd (eller annen katalytisk, men ikke plasmonisk metall) kan forbedres betydelig av LSPR-eksitasjon via synlig lysbestråling i bimetalliske legerte NPer35. I dette tilfellet er Ag (eller et annet plasmonisk metall) i stand til å høste energi fra synlig lysbestråling via LSPR-eksitasjon. LSPR-eksitasjonen fører til dannelse av varme ladebærere (varme elektroner og hull) og lokalisert oppvarming<sup class…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Universitetet i Helsinki og Jane and Aatos Erkko Foundation. S.H. takker Erasmus+ EU-midler for fellesskapet.
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).
