Synthese en katalytische prestaties van Gold tussengevoegd in de muren van mesoporeus siliciumdioxide-
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
Als veelbelovende katalytisch aktieve nano reactor werden goud nanodeeltjes tussengevoegd in mesoporeuze silica (GMS) met succes gesynthetiseerd en eigenschappen van de materialen onderzocht. We gebruikten een één pot sol-gel benadering gouden nanodeeltjes in de wanden van mesoporeuze silica intercaleren. Om te beginnen de synthese, P123 werd gebruikt als matrijs om micellen te vormen. Vervolgens werd TESPTS gebruikt als oppervlakmodificatie middel goud nanodeeltjes intercaleren. Na dit proces is in het TEOS toegevoegd als silicabron die een polymerisatiewerkwijze in zure omgeving ondergaan. Na hydrothermische behandeling en calcinering, werd het eindproduct verkregen. Verschillende technieken werden gebruikt om de porositeit en structuur van de gouden geïntercaleerde mesoporeuze silica karakteriseren. De resultaten toonden een stabiele structuur mesoporeuze silica gold na intercalatie. Door de oxidatie van benzylalcohol als benchmark reactie, de GMS materialen toonde hoge Selectiviteit en recycleerbaarheid.
Introduction
Als een opkomende technologie die een groot potentieel in katalyse toepassingen heeft, hebben nanoschaal materialen intensief onderzoek interesse in de afgelopen decennia ontvangen. Onder de nanoschaal katalysatoren gemeld, hebben edelmetaalkatalysatoren zoals Au, Ag, Pd en Pt wereldwijd de aandacht trok 1-3. Selecteer katalytische reacties omvatten de oxidatie van koolmonoxide onderzoekers over Au, Heck reactie op Pd katalysatoren en water splitsen met Pt. Ondanks de veelbelovende katalytische potentiaal wordt nanoschaal goud beperkt in zijn toepassing als gevolg van deactivering door vergiftiging, verkooksen thermische afbraak en sinteren. Vermeld is dat goud, als vertegenwoordiger van edelmetalen, heeft een hoge selectiviteit en minder gevoelig voor metaaluitloging, overoxidatie en zelfvergiftiging 4. De katalytische prestaties van goud sterk afhankelijk van de deeltjesgrootte. Haruta et al. Rapporteert de relatie tussen katalytische prestatie en gald cluster diameter, het aantonen van de hoogste activiteit van goud katalysatoren met een deeltjesgrootte ~ 2.7 nm 5.
De deeltjesgrootte van de edelmetalen kan worden geregeld door de bereidingswijze 6-9; Echter, de belangrijkste hindernis in de richting van een brede toepassing blijft aggregatie en verlies van activiteit. Om het probleem van sinteren lossen, gemeenschappelijke methode om nanodeeltjes te immobiliseren op een dragermateriaal. Diverse ondersteunende materialen zijn toegepast, waaronder poreuze silica 10-11, halfgeleidende metaaloxiden 12-13, polymeren 14, grafeen 15 en koolstof nanobuisjes 16. Onder de gebruikte materialen, poreuze silica is een aantrekkelijk materiaal als drager omdat het slechts licht zuur, betrekkelijk inert, thermisch en chemisch stabiel, en kunnen worden bereid met goed gedefinieerde meso- / microporositeit. De poreuze structuur biedt een goede ondersteuning voor metaaldeeltjes, maar verleent ook de grootte selectieve substraat toegang totde metaalkatalysatoren. Deze selectiviteit is veelbelovend vanwege de tunability verband met deze poreuze materialen. Vaak worden gouddeeltjes vinden zeer mobiel op silica oppervlakken 17-18 zijn en vormen gemakkelijk zeer groot (50 + nm) reactieve deeltjes bij blootstelling aan hoge temperaturen, waardoor het moeilijk is om goud nanodeeltjes te bereiden op silica 19. Mukherjee et al. Beschreven immobilisatie van monodisperse gouden nanodeeltjes mesoporeuze silica MCM-41 met 3-aminopropyl-trimethoxysilaan en 3-mercapto–triethoxysilaan en de gedragen goud nanodeeltjes bleken zeer actief hydrogeneringsreacties zijn en geen uitlogen van goud werd gevonden in de 20 reactie.
Naar aanleiding van het rapport van de oppervlakte modificatie van mesoporeuze silica, we melding gemaakt van een methode om goud te bereiden ingelast in de wand van mesoporeuze silica (GMS). Daarnaast is de mesoporeuze silica gedragen aanpak biedt een schaalbare apdering potentieel onafhankelijke weg katalysator en poreuze milieu. Omdat katalytische processen zijn van vitaal economisch belang, kan de voordelen verreikend zijn. De mogelijkheid om de ontwikkeling van "groene" katalysatoren zou een grote positieve invloed hebben op het milieu en het verbeteren van de economische haalbaarheid en resource efficiency van belangrijke industriële processen.
Protocol
Representative Results
Discussion
In de synthese protocol, aandacht surfactant concentratie, pH van de oplossing en de reactietemperatuur is kritisch voor de succesvolle vorming van GMS. De kritische stappen zijn 1.2, 1.3, 1.4 en 1.6. De bovengenoemde parameters bepalen de pakking parameter en fase van micellen gevormd uit oppervlakteactieve kritisch. De fase en de morfologie van micellen bepaalt de uiteindelijke stand van silica matrix, die als raamwerk voor GMS. Ook belangrijk bij het vormingsproces is de volgorde en tijd om de HAuCl -oplossing. TEOS …
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).
