Syntese og katalytiske ydeevne af Gold indskudt i væggene i mesoporøse Silica
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
Som lovende katalytisk aktiv nano reaktor blev guldnanopartikler indskudt i mesoporøse silica (GMS) held syntetiseret og materialernes egenskaber blev undersøgt. Vi anvendte en one-pot-sol-gel-metode til indskyde guld nanopartikler i væggene i mesoporøse silica. Til at begynde med syntesen, blev P123 anvendt som skabelon til at danne miceller. Derefter TESPTS blev anvendt som en overflademodifikation agent at indskyde guld nanopartikler. Efter denne proces blev TEOS tilsættes i en silicakilde, som undergik en polymerisationsproces i surt miljø. Efter hydrotermisk behandling og kalcinering, blev det endelige produkt erhvervet. Adskillige teknikker blev anvendt til at karakterisere porøsitet, morfologi og struktur af guldet indskudte mesoporøse silica. Resultaterne viste en stabil struktur af mesoporøse silica efter guld interkalation. Gennem oxidation af benzylalkohol som benchmark reaktion, viste GMS materialer høje SELECtivitet og genanvendelighed.
Introduction
Som en ny teknologi, der har et stort potentiale i katalyse applikationer, har nanoskala materialer modtaget intensiv forskning interesse i de seneste årtier. Blandt de nanoskala katalysatorer rapporteret, har ædelmetalkatalysatorer såsom Au, Ag, Pd og Pt tiltrukket verdensomspændende opmærksomhed 1-3. Vælg katalytiske reaktioner omfatter oxidation af kulilte forskere om Au, Heck reaktion på Pd-katalysatorer, og vand spaltning med Pt. På trods af den lovende katalytiske potentiale, er nanoskala guld begrænset i sin anvendelighed på grund af deaktivering af forgiftning, koks, termisk nedbrydning, og sintring. Det er blevet rapporteret, at guld, som repræsentant for ædelmetaller, har høj selektivitet og er mindre tilbøjelige til metal udvaskning, over-oxidation, og selv-forgiftning 4. Men den katalytiske ydeevne af guld afhænger stærkt af partikelstørrelsen. Haruta et al. Har rapporteret forholdet mellem katalytiske ydeevne og gåld klynge diameter, hvilket viser den højeste aktivitet af guld-katalysatorer med partikelstørrelse ~ 2.7 nm 5.
Partikelstørrelsen af ædelmetaller kan styres af fremstillingsmetoden 6-9; Men den største hindring mod bred anvendelse forbliver aggregering og tab af aktivitet. For at løse problemet med sintring, en almindelig metode er at immobilisere nanoskala partikler på et bæremateriale. Forskellige support materialer er blevet anvendt, herunder porøse silica 10-11, halvledende metaloxider 12-13, polymerer 14, graphene 15 og kulstofnanorør 16. Blandt de anvendte materialer, porøse silica er et attraktivt materiale som en støtte, fordi det kun er mildt sur, relativt inert, termisk og kemisk stabil, og kan fremstilles med meget veldefineret meso- / micro-porøsitet. Den porøse struktur giver god støtte til metalpartikler, men også bibringer størrelse selektiv substrat adgang tilmetal katalysatorer. Denne selektivitet er særligt lovende på grund af justerbarhed forbundet med disse porøse materialer. Ofte er guldpartikler sig at være yderst mobil på silicaoverflader 17-18 og let at danne meget store (50 + nm) ikke-reaktive partikler, når de udsættes for høje temperaturer, hvilket således gør det vanskeligt at fremstille guld nanopartikler på silica 19. Mukherjee et al. Rapporterede immobilisering af monodisperse guld nanopartikler på mesoporøse silica MCM-41 med 3-aminopropyl-trimethoxysilan og 3-mercaptopropyl-triethoxysilan, og de understøttede guld nanopartikler viste sig at være særdeles aktiv i hydrogeneringsreaktioner og ingen udvaskning af guld blev fundet i reaktionen 20.
Forlængelse af rapporten fra overfladebehandling af mesoporøse silica, vi rapporteret en fremgangsmåde til fremstilling af guld interkalateret i væggen af mesoporøse silica (GMS). Derudover mesoporøse silica understøttet fremgangsmåde giver en skalerbar apfremgangsmåden i forbindelse potentielt uafhængigt ændre katalysatoren og porøse miljø. Da katalytiske processer er af afgørende økonomisk betydning, kunne fordelene være vidtrækkende. Evnen til at udvikle "grønne" katalysatorer ville have en dybtgående positiv indvirkning på miljøet og forbedre den økonomiske gennemførlighed og ressourceeffektivitet vigtige industrielle processer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inden for synteseprotokol, opmærksomhed på koncentrationen overfladeaktivt middel, pH af opløsningen og reaktionstemperaturen er afgørende for en vellykket dannelse af GMS. De kritiske trin er 1,2, 1,3, 1,4 og 1,6. De ovennævnte parametre styrer den kritiske pakning parameter og fase af miceller dannet af overfladeaktivt middel. Fasen og morfologi micel afgør den endelige tilstand af silica matrix, der tjener som ramme for GMS. Også vigtigt i dannelsen processen er sekvensen og tid til at tilføje HAuCl opløsnin…
Disclosures
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).
