Umkehrmikroemulsion-vermittelte Synthese von Monometallische und Bimetall frühes Übergangsmetall Carbide und Nitride Nanopartikel
Summary
A “removable ceramic coating method” is presented in visual format for the synthesis of non-sintered and metal-terminated monometallic and bimetallic early transition metal carbide and nitride nanoparticles with tunable sizes and crystal structures.
Abstract
Ein Reverse-Mikroemulsion wird verwendet, um mono oder Bimetall frühes Übergangsmetall-Nanopartikel in mikroporösen Silikatschalen kapseln. Die Glasverkapselte Metalloxid-Nanopartikel werden dann in einer Methan / Wasserstoff-Atmosphäre bei Temperaturen über 800 ° C aufgekohlt, um Glasverkapselte frühen Übergangsmetallcarbid-Nanopartikel zu bilden. Während der Aufkohlungsprozeß verhindern die Kieselschalen der Sinter benachbarter Hartmetall-Nanopartikel aber auch die Ablagerung von überschüssigem Oberflächenkohlen verhindern. Alternativ können die Glasverkapselte Metalloxid-Nanopartikel in einer Ammoniakatmosphäre bei Temperaturen über 800 ° C nitridiert werden Glasverkapselte frühes Übergangsmetall-Nitrid-Nanopartikel zu bilden. Durch Einstellen der Umkehrmikroemulsion Parameter die Dicke der Silikatschale und der Aufkohlung / Nitridierung Bedingungen sind die Übergangsmetall-Carbid oder Nitrid-Nanopartikel können auf verschiedene Größen, Zusammensetzungen ein abgestimmtnd Kristallphasen. Nach der Aufkohlung oder Nitrierung werden die Kieselschalen dann entweder bei Raumtemperatur eine wässrige Lösung Ammoniumbifluorid oder einer 0,1 bis 0,5 M NaOH-Lösung bei 40-60 ° C entfernt. Während die Kieselsäure Schalen Auflösen eine hohe Flächenauflagefläche, wie beispielsweise Ruß, kann zu diesen Lösungen zugegeben werden, um gelagert frühen Übergangsmetallcarbid oder -nitrid-Nanopartikel zu erhalten. Wenn kein Träger mit hoher Oberfläche zugegeben wird, dann können die Nanoteilchen als Nanodispersion gelagert oder zentrifugiert, um ein Nanopulver erhalten.
Introduction
Frühen Übergangsmetallcarbide (TMCs) sind kostengünstige, erde reichen Materialien, die eine hohe thermische und elektrochemische Stabilität sowie einzigartige katalytische Aktivitäten aufweisen. 1-3 Insbesondere Wolframcarbid (WC) und Molybdäncarbid (Mo 2 C) wurde ausgiebig auf ihre katalytische Ähnlichkeiten mit der Platingruppenmetalle (PGM). 4,5 Aufgrund dieser günstigen Eigenschaften studiert haben TMCs als Kandidaten für den Ersatz teurer PGM-Katalysatoren in den Schwellen erneuerbaren Energietechnologien, wie beispielsweise die Umwandlung von Biomasse, Brennstoffzellen identifiziert worden, und Elektrolyseuren. 6,7
Um die katalytische Aktivität zu maximieren, werden handelsübliche Katalysatoren fast immer als ultra Nanopartikel (Durchmesser <10 nm) auf einem Träger mit hoher Oberfläche dispergiert sind, wie beispielsweise Ruß formuliert. 8 ist die Synthese TMCS erfordert jedoch Temperaturen von mehr als ~ 700 ° C. Dies führt zu umfangreichen Sintern des nanoparticles (NPS), überschüssiges Oberflächenkohlenstoffabscheidung (Koks), und thermische Unterstützung Abbau. Beide Partikel Sintern und Support-Abbau führen zu verringerten Materialoberflächen. Überschüssige Oberflächenverunreinigungsablagerung blockiert aktiven Metallzentren, die gezeigt worden ist, um stark zu reduzieren oder in einigen Fällen die katalytische Aktivität der Geschäftsreisebüros. 9,10 Als solche vollständig zu beseitigen, ist die grundlegende Studie über TMC Reaktivität überwiegend auf Großmikropartikel oder dünne Filme mit geführt fein gesteuert Flächen und nicht auf hohe Oberfläche TMC Nanomaterialien.
Viele Verfahren sind entwickelt worden, um den TMC-Nanopartikel zu synthetisieren, jedoch sind diese Verfahren für die Synthese katalytisch aktive TMC NPs sind es nicht. Traditionelle Nassimprägnierung Techniken verwenden, Metallsalzlösungen auf einem Träger mit großer Oberfläche imprägniert. Beim Erhitzen können Nassimprägnierungsverfahren des Katalysatorträgers zu destruktiven Karburierungsbedingungen was zu einer Verschlechterung Unterstützung aussetzen. Weiterhin Sinter ceine nur bei niedrigen Beladungen Gewichts-% des Metalls auf dem Träger verringert werden, und es ist auch nicht möglich, nicht unterstützte TMC Nanopulver zu synthetisieren unter Verwendung von Nassimprägnierung. Mehrere neuere Verfahren das Vermischen eines Metallvorläufers mit einem Kohlenstoffvorläufer und Anwendung konventionellen und unkonventionellen Heiztechniken. 11-18 überschüssige Kohlenstoff wird verwendet, um das Sintern zu verhindern, aber das überschüssige Kohlenstoff führt zu umfangreichen Randkohlenstoff, so dass diese Materialien nicht für katalytische Anwendungen geeignet.
Aufgrund dieser synthetischen Herausforderungen haben THZ traditionell als Cokatalysatoren 11 PGMs sucht wurde, Katalysatorträger für PGMs, 19-22 oder Träger für die aktive PGM Monoschichten 23-25. Das hier vorgestellte Verfahren bietet die Möglichkeit, sowohl nicht-gesinterten synthetisieren und Metall-termini TMC-Nanopartikel als auch Übergangsmetall-Nitrid (TMN) NPs mit einstellbaren Größen kristalline Phasen und metallische Zusammensetzung. 26. Die Methode dargestellt bietet auch die ABility TMC oder TMN Nanodispersionen zu erhalten, oder hinterlegen die TMC und TMN-Nanopartikel auf einem hohen Oberfläche Katalysatorträger bei Raumtemperatur, wodurch die thermische Unterstützung Abbau Minderung. Diese Methode eignet sich daher für eigenständige katalytische Anwendungen von TMC und TMN-Nanopartikel, die Entwicklung fortschrittlicher multi TMC und TMN-Nanopartikel oder andere Anwendungen, die fein gesteuerten Teilchengrößen und Oberflächen 26.
Die hier vorgestellte Methode verwendet einen Drei-Stufen-Protokoll, um TMC und TMN-Nanopartikel zu synthetisieren. Im ersten Schritt wird eine Umkehrmikroemulsion (RME) zu beschichten frühes Übergangsmetall-Oxid (TMO) NPs in Nanokugeln aus Glas verwendet. Die Emulsion wird durch Dispergieren von Wassertröpfchen in einem nicht-polaren Medium unter Verwendung einer kommerziellen nichtionischen Tensids hergestellt. Die Kieselsäure eingekapselten TMO-Nanopartikel werden dann entweder Aufkohlen oder nitridizing Wärmebehandlungen unterworfen. Hier verhindert der Silicateilchen Sintern bei hohen Temperaturen, während es den reaktiven Gasen zu t diffundierener TMO-Nanopartikel und wandeln sie in TMC oder TMN-Nanopartikel. Im letzten Schritt werden die Kieselschalen entweder mit sauren oder alkalischen Behandlung zu TMC oder TMN-Nanodispersionen, die auf einem Träger mit hoher Oberfläche dispergiert werden können, wie beispielsweise Ruß zu erhalten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein Verfahren zur Synthese von nicht-gesinterten, metallterminierten Übergangsmetallcarbid und Nitrid-Nanopartikel mit abstimmbaren Größen und Struktur wird hier vorgestellt 26 Kritische Schritte des Verfahrens umfassen:. Verwendung einer feuchtigkeitsfreien RBF des verdünnten Metallalkoxid-Vorstufe enthalten, die Vermeidung Alkalimetall- Verunreinigungen während aller Schritte, Ausfällen des RME mit überschüssigem Methanol im Gegensatz zu Aceton oder Isopropanol, die Durchführung eines korrekten Lec…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was sponsored by the Chemical Sciences, Geosciences and Biosciences Division, Office of Basic Energy Sciences, Office of Science, U.S. Department of Energy, grant no. DE-FG02-12ER16352. S.T.H. thanks the National Science Foundation for financial support through the National Science Foundation Graduate Research Fellowship under Grant No. 1122374.
Materials
| n-heptane | Sigma-Aldrich | 246654 | |
| polyoxyethylene (4) lauryl ether | Sigma-Aldrich | 235989 | Brij® L4 |
| tungsten (VI) isopropoxide | Alfa Aesar | 40247 | W(VI)IPO |
| tungsten (VI) chloride | Sigma-Aldrich | 241911 | To prepare W(VI)IPO, homemade |
| tungsten (IV) chloride | Strem Chemicals | 74-2348 | To prepare W(IV)IPO, homemade |
| tantalum (V) isopropoxide | Alfa Aesar | 40038 | Ta(V)IPO |
| niobium (V) isopropoxide | Alfa Aesar | 36572 | Nb(V)IPO |
| nickel (II) methoxyethoxide | Alfa Aesar | 42377 | Ni(II)MEO |
| titanium (IV) isopropoxide | Sigma-Aldrich | 87560 | Ti(IV)IPO |
| molybdenum (V) isopropoxide | Alfa Aesar | 39159 | Mo(V)IPO |
| molybdenum (V) chloride | Sigma-Aldrich | 208353 | To prepare Mo(V)IPO, homemade |
| tetraethyl orthosilicate | Sigma-Aldrich | 333859 | TEOS |
| ammonium hydroxide | Sigma-Aldrich | 320145 | |
| methanol | Sigma-Aldrich | 34860 | |
| anhydrous isopropanol | Sigma-Aldrich | 278475 | To prepare homemade alkoxides |
| ammonium bifluoride | Sigma-Aldrich | 224820 | |
| carbon black | Cabot Corp. | Vulcan® XC72R | |
| Methane | AirGas | ME R300 | |
| Hydrogen | AirGas | HY UHP300 | |
| Ammonia | AirGas | AM AH80N705 | |
| Quartz Tube Furnace | MTI Corp. | OTF-1200X-S-UL |
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