Syntes och Katalytisk Utförande av guld interkaleras i väggarna i Mesoporous 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 lovande katalytiskt aktiv nanoreaktor suspenderades guldnanopartiklar inskjutna i mesoporösa kiseldioxid (GMS) med framgång syntetiserats och egenskaperna hos materialen undersöktes. Vi använde en en kruka sol-gel-metod för att interkalera guldnanopartiklar i väggarna i mesoporösa silika. Till att börja med syntesen, var P123 används som mall för att bilda miceller. Därefter TESPTS användes som ytmodifierande medel för att interkalera guldnanopartiklar. Efter detta förfarande, till TEOS sattes i som en kiselkälla som undergick ett polymerisationsförfarande i sur miljö. Efter hydrotermisk behandling och kalcinering, var den slutliga produkten förvärvas. Flera tekniker användes för att karakterisera porositet, morfologi och struktur guld inlagrad mesoporösa kiseldioxid. Resultaten visade en stabil struktur av mesoporösa kiseldioxid efter guld interkalering. Genom oxidation av bensylalkohol som ett riktmärke reaktion, GMS material visade hög selecvitet och återvinning.
Introduction
Som en ny teknik som har stor potential i katalys applikationer, har nanomaterial fått intensiv forskningsintresse under de senaste decennierna. Bland rapporterade nanoskala katalysatorer, har ädelmetallkatalysatorer, såsom Au, Ag, Pd och Pt attraherade världsomfattande uppmärksamhet 1-3. Välj katalytiska reaktioner inkluderar oxidation av kolmonoxid forskare på Au, Heck-reaktionen på Pd-katalysatorer och vatten delning med Pt. Trots den lovande katalytiska potential, är nano guld begränsad i sin användbarhet på grund av avstängning från förgiftning, koks, termisk nedbrytning, och sintring. Det har rapporterats att guld, som en representant för ädelmetaller, har hög selektivitet och är mindre benägna att urlakning av metall, över-oxidering, och själv förgiftning 4. Emellertid beror den katalytiska prestandan hos guld starkt på partikelstorleken. Haruta et al. Rapporterat förhållandet mellan katalytiska prestanda och gåld kluster diameter, visar den högsta aktiviteten av guldkatalysatorer med partikelstorlek ~ 2.7 nm 5.
Partikelstorleken hos ädelmetaller kan styras av framställningsmetoden 6-9; dock stort hinder mot bred tillämpning förblir aggregering och förlust av aktivitet. För att lösa problemet med sintring, är en vanlig metod för att immobilisera nanopartiklar på ett bärarmaterial. Olika bärarmaterial har tillämpats inklusive porös kiseldioxid 10-11, halvledande metalloxider 12-13, polymerer 14, grafen 15 och kolnanorör 16. Bland de material som används, är porös kiseldioxid ett attraktivt material som stöd eftersom det bara är milt surt, relativt inert, termiskt och kemiskt stabil och kan framställas med mycket väldefinierad meso / mikro-porositet. Den porösa struktur ger bra stöd för metallpartiklar, men också ger storlek selektivt substrat tillgång tillmetallkatalysatorer. Denna selektivitet är särskilt lovande på grund av avstämbarhet i samband med dessa porösa material. Ofta är guldpartiklar visat sig vara extremt mobil på kiseldioxidytor 17-18 och lätt bildar mycket stora (50 + nm) oreaktiva partiklar när de utsätts för höga temperaturer, vilket gör det svårt att framställa guld nanopartiklar på silika 19. Mukherjee et al., Rapporterade immobilisering av monodispergerade guldnanopartiklar på mesoporösa silika MCM-41 med 3-aminopropyl-trimetoxisilan och 3-merkaptopropyl-trietoxisilan, och de avsedda guldnanopartiklar befanns vara höggradigt aktiv för hydrogeneringsreaktioner och ingen urlakning av guld befanns i reaktionen 20.
Efter rapporten från ytan modifiering av mesoporösa kiseldioxid, rapporterade vi en metod för att framställa guld interkaleras in i väggen av mesoporösa kiseldioxid (GMS). Dessutom erbjuder det mesoporösa kiseldioxiduppburen tillvägagångssätt en skalbar apförhållningssätt till potentiellt självständigt ändra katalysatorn och porösa miljö. Eftersom katalytiska processer är av avgörande ekonomisk betydelse, kan fördelarna vara långtgående. Förmågan att utveckla "gröna" katalysatorer skulle ha en djupgående positiv inverkan på miljön och förbättra de ekonomiska möjligheterna och resurseffektivitet viktiga industriella processer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Inom syntesprotokollet, är uppmärksamma tensidkoncentration, lösningens pH och reaktionstemperaturen kritisk för framgångsrik bildning av GMS. De kritiska steg är 1,2, 1,3, 1,4 och 1,6. De ovan nämnda parametrar styr den kritiska packningsparametern och fas av miceller bildade från ytaktivt ämne. Fasen och morfologi micell bestämmer det slutliga tillståndet av kiseldioxidmatris, som fungerar som en ram för GMS. Också viktigt i bildandet processen är sekvensen och tid för att lägga till HAuCl lösningen. …
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).
