Syntese og Catalytic Utførelse av Gold interkalert i veggene i mesoporøs 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 en lovende katalytisk aktivt nano-reaktoren, ble gull nanopartikler interkalert i mesoporous silika (GMS) med hell syntetisert og egenskapene til materialer ble undersøkt. Vi brukte en one pot sol-gel metode for å intercalate gull nanopartikler i veggene i mesoporøst silika. Til å begynne med syntesen, ble P123 brukt som mal for å danne miceller. Deretter TESPTS ble anvendt som et overflatemodifiserende middel for å intercalate gull nanopartikler. Ved å følge denne fremgangsmåten, ble tilsatt i TEOS som en silikakilde som gjennomgikk en polymerisasjonsprosess i surt miljø. Etter hydrotermale behandling og kalsinering, ble sluttproduktet ervervet. Flere teknikker ble benyttet for å karakterisere porøsitet, morfologi og struktur av gull interkalert mesoporous silika. Resultatene viste en stabil struktur av mesoporøs silika etter gull interkalering. Gjennom oksidasjon av benzylalkohol som en målestokk reaksjon, de GMS materialer viste høy selectivitet og gjenvinning.
Introduction
Som en ny teknologi som har et stort potensial i katalyse applikasjoner, har nanoskala materialer mottatt intensiv forskning interesse de siste tiårene. Blant nanoskala katalysatorer rapportert, har edle metallkatalysatorer som Au, Ag, Pd og Pt tiltrukket verdensomspennende oppmerksomhet 1-3. Velg katalytiske reaksjoner inkluderer oksidasjon av karbonmonoksid forskere på Au, Heck-reaksjon på Pd-katalysatorer, og vann splitting med Pt. På tross av de lovende katalytiske potensialet, nanoskala gull begrenset i sin anvendelse på grunn av deaktivering av forgiftning, forkoksing, termisk nedbrytning, og sintring. Det er blitt rapportert at gull, som en representant for edelmetaller, har høy selektivitet og er mindre utsatt for utvasking metall, over-oksydasjon og selvforgiftning 4. Imidlertid avhenger sterkt av den katalytiske ytelsen av gull på partikkelstørrelsen. Haruta et al. Har rapportert forholdet mellom katalytiske ytelse og gåld klynge diameter, noe som viser den høyeste aktivitet av gull-katalysatorer med partikkelstørrelse 2,7 nm ~ 5.
Partikkelstørrelsen av edelmetaller kan kontrolleres ved fremstillingsmetode 6-9; imidlertid stor hindring mot bred anvendelse forblir aggregering og tap av aktivitet. For å løse problemet med sintring, er en vanlig metode for å immobilisere nanopartikler på et bærermateriale. Ulike hjelpemidler er anvendt inkludert porøs silika 10-11, halvledende metalloksider 12-13, polymerer 14, graphene 15 og karbon nanorør 16. Blant de materialene som brukes, er porøst silisiumoksid et attraktivt materiale som en bærer, fordi det er bare svakt surt, forholdsvis inert, termisk og kjemisk stabilt, og kan fremstilles med meget godt definert meso- / mikro-porøsitet. Den porøse struktur gir god støtte for metallpartikler, men bibringer også størrelsen selektiv tilgang til underlagetmetallkatalysatorer. Denne selektivitet er meget lovende på grunn av den tunability forbundet med disse porøse materialer. Ofte er gullpartikler funnet å være svært mobile på silika overflater 17-18 og lett danne svært store (50+ nm) ureaktive partikler når de utsettes for høye temperaturer, og dermed gjør det vanskelig å forberede gullnanopartikler på silika 19. Mukherjee et al., Rapporterte immobilisering av monodispergerte gull nanopartikler på mesoporøs silika MCM-41 med 3-aminopropyl-trimetoksysilan og 3-merkaptopropyl-silan, og de støttede gull nanopartikler ble funnet å være meget aktive for hydrogeneringsreaksjoner, og ingen utlekking av gull ble funnet i reaksjons 20.
Etter rapporten fra overflatemodifikasjon av mesoporøs silika, rapporterte vi en fremgangsmåte for å fremstille gull interkalert i veggen av mesoporous silika (GMS). I tillegg er mesoporous silisiumdioksydbåret tilnærmingen gir en skalerbar apming til potensielt uavhengig forandre katalysatoren og porøse miljø. Siden katalytiske prosesser er av avgjørende økonomisk betydning, kan fordelene være vidtrekkende. Evnen til å utvikle "grønne" katalysatorer vil ha stor positiv innvirkning på miljøet og forbedre den økonomiske gjennomførbarhet og ressurseffektivitet av viktige industrielle prosesser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Innenfor syntese-protokollen, er oppmerksom på overflateaktivt middel-konsentrasjon, pH av løsningen, og reaksjonstemperaturen kritisk for den vellykkede dannelse av GMS. De kritiske trinn er 1.2, 1.3, 1.4 og 1.6. De ovennevnte parametrene kontrollerer den kritiske parameter og pakking fase av micellene dannet av overflateaktivt middel. Fasen og morfologi micelle bestemmer den endelige tilstand av silika matriks, som tjener som ramme for GMS. Også viktig i formingsprosessen er sekvensen og tiden å tilsette HAuCl lø…
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).
