Beredning av silver-palladiumlegerade nanopartiklar för plasmonisk katalys under synlig ljusbelysning
Summary
Presenteras här är ett protokoll för syntesen av silver-palladium (Ag-Pd) legerade nanopartiklar (NPs) stöds på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2). Detta system gör det möjligt att skörda energi från synlig ljus bestrålning för att påskynda och kontrollera molekylära omvandlingar. Detta illustreras av nitrobensen minskning under lätt bestrålning katalyseras av Ag-Pd/ZrO2 NPs.
Abstract
Lokaliserad ytplasmonsonans (LSPR) i plasmoniska nanopartiklar (NPs) kan påskynda och kontrollera selektiviteten hos en mängd olika molekylära omvandlingar. Detta öppnar möjligheter för användning av synligt eller nära IR-ljus som en hållbar insats för att driva och kontrollera reaktioner när plasmoniska nanopartiklar som stöder LSPR-excitation i dessa intervall används som katalysatorer. Tyvärr är detta inte fallet för flera katalytiska metaller som palladium (Pd). En strategi för att övervinna denna begränsning är att använda bimetalliska NPs som innehåller plasmoniska och katalytiska metaller. I det här fallet kan LSPR-excitationen i den plasmoniska metallen bidra till att påskynda och kontrollera omvandlingar som drivs av den katalytiska komponenten. Metoden som rapporteras häri fokuserar på syntesen av bimetalliskt silver-palladium (Ag-Pd) NPs stöds på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) som fungerar som ett plasmonic-katalytiskt system. NPs utarbetades genom samtidig impregnering av motsvarande metallprekursorer på ZrO2-stödet följt av samtidig minskning som ledde till bildandet av bimetalliska NPs direkt på ZrO2-stödet. Ag-Pd/ZrO2 NPs användes sedan som plasmoniska katalysatorer för minskning av nitrobensen under 425 nm belysning av LED-lampor. Med hjälp av gaskromatografi (GC) kan omvandlingen och selektiviteten av reduktionsreaktionen under de mörka och ljusa bestrålningsförhållandena övervakas, vilket visar den förbättrade katalytiska prestandan och kontrollen över selektivitet under LSPR-excitation efter legering av icke-plasmonisk pd med plasmonisk metall Ag. Denna teknik kan anpassas till ett brett spektrum av molekylära omvandlingar och NPs-kompositioner, vilket gör den användbar för karakterisering av den plasmoniska katalysaktiviteten hos olika typer av katalys när det gäller omvandling och selektivitet.
Introduction
Bland de flera tillämpningarna av metallnanopartiklar (NPs) förtjänar katalys särskild uppmärksamhet. Katalys spelar en central roll i en hållbar framtid, vilket bidrar till mindre energiförbrukning, bättre utnyttjande av råvaror och möjliggör renare reaktionsförhållanden1,2,3,4. Framsteg inom katalys kan således ge verktyg för att öka atomeffektiviteten hos kemiska processer, göra dem renare, mer ekonomiskt livskraftiga och mer miljövänliga. Metall NPs som omfattar silver (Ag), guld (Au) eller koppar (Cu) kan visa intressanta optiska egenskaper i det synliga området som uppstår från det unika sättet dessa system interagerar med ljus på nanoskalan via den lokaliserade ytan plasmon resonans (LSPR) excitation5,6,7,8. I dessa NPs, som kallas plasmoniska NPs, omfattar LSPR den resonanta interaktionen mellan incidentfoton (från en inkommande elektromagnetisk våg) med den kollektiva rörelsen av elektroner5,6,7,8. Detta fenomen sker med en karakteristisk frekvens som är beroende av miljöns storlek, form, sammansättning och dielektriska konstant9,10,11. Till exempel, för Ag, Au och Cu, kan dessa frekvenser variera från synlig till nära IR, vilket öppnar möjligheter för användning av solenergi för att excite deras LSPR5,6,7,8,12,13.
Nyligen har det visat sig att LSPR-excitationen i plasmoniska NPs kan bidra till att påskynda satserna och kontrollera selektiviteten hosmolekylära omvandlingar 5,14,15,16,17,18,19. Detta födde ett fält som kallas plasmonisk katalys, som fokuserar på att använda energi från ljus för att accelerera, driva och / eller kontrollera kemiska omvandlingar5,14,15,16,17,18,19. I detta sammanhang har det fastställts att LSPR-excitation i plasmoniska NPs kan leda till bildandet av energiska heta elektroner och hål, så kallade LSPR-upphetsade heta bärare. Dessa bärare kan interagera med adsorberade arter genom elektronisk eller vibrationsaktivering15,16. Förutom ökade reaktionshastigheter kan denna process också ge alternativa reaktionsvägar som inte är tillgängliga via traditionella termokemiskt drivna processer, vilket öppnar nya vägar för kontroll över reaktions selektivitet20,21,22,23,24,25. Viktigt är att notera att plasmonförfallet också kan leda till termisk avledning, vilket leder till en temperaturökning i närheten av NPs som också kan bidra till att påskynda reaktionsfrekvenserna15,16.
På grund av dessa intressanta funktioner har plasmonisk katalys framgångsrikt använts mot en mängd olika molekylära omvandlingar18. Det återstår dock en viktig utmaning. Medan plasmoniska NPs som Ag och Au visar utmärkta optiska egenskaper inom de synliga och nära IR-intervallen, är deras katalytiska egenskaper begränsade när det gäller omvandlingens omfattning. Med andra ord visar de inte bra katalytiska egenskaper för flera omvandlingar. Dessutom stöder metaller som är viktiga vid katalys, såsom palladium (Pd) och platina (Pt), inte LSPR-excitation i de synliga eller nära IR-intervallen. För att överbrygga detta gap representerar bimetalliska NPs som innehåller en plasmonisk och katalytisk metall en effektiv strategi20,26,27,28,29. I dessa system kan den plasmoniska metallen användas som antenn för att skörda energi från ljusexcitationen genom LSPR, som sedan används för att driva, accelerera och kontrollera molekylära omvandlingar vid katalytisk metall. Därför gör denna strategi det möjligt för oss att förlänga plasmonisk katalys utöver traditionella plasmoniska metall NPs20,26,27,28,29.
Detta protokoll beskriver den underlättande syntesen av bimetalliskt silver-palladium (Ag-Pd) legerade NPs stöds på ZrO2 (Ag-Pd/ZrO2) som kan fungera som ett plasmonic-katalytiskt system för plasmonisk katalys. Ag-Pd/ZrO2 NPs utarbetades genom samtidig impregnering av motsvarande metallprekursorer på ZrO2-stödet följt av samtidigminskning 30. Detta tillvägagångssätt ledde till bildandet av bimetalliska NPs runt 10 nm i storlek (diameter) direkt vid ytan av ZrO2-stödet. NPs bestod av 1 mol% av Pd för att minimera användningen av katalytisk metall samtidigt maximera de optiska egenskaperna hos de resulterande Ag-Pd NPs. Ett protokoll för tillämpningen av Ag-Pd/ZrO2 NPs i plasmonic katalys visades för minskning av nitrobenzene. Vi använde 425 nm LED-belysning för LSPR-excitationen. Gaskromatografi utfördes för att övervaka omvandlingen och selektiviteten av reduktionsreaktionen under de mörka och lätta bestrålningsförhållandena. LSPR excitation ledde till förbättrad katalytisk prestanda och kontroll över selektivitet i Ag-Pd/ZrO2 NPs i förhållande till rent termiskt drivna villkor. Metoden som beskrivs i detta protokoll är baserad på en enkel fotokatalytisk reaktionsinställning i kombination med gaskromatografi och kan anpassas till ett brett spektrum av molekylära omvandlingar och NPs-kompositioner. Således möjliggör denna metod karakteriseringen av fotokatalytisk aktivitet, när det gäller omvandling och reaktions selektivitet, av olika NPs och för en myriad av vätskefasomvandlingar. Vi tror att den här artikeln kommer att ge viktiga riktlinjer och insikter till både nykomlingar och mer erfarna forskare inom området.
Protocol
Representative Results
Discussion
Resultaten som beskrivs i denna metod visar att den inneboende katalysatoraktiviteten hos Pd (eller annan katalytisk men inte plasmonisk metall) kan förbättras avsevärt genom LSPR-excitation via synlig ljus bestrålning i bimetallisk legerade NPs35. I detta fall kan Ag (eller annan plasmonisk metall) skörda energi från synlig ljus bestrålning via LSPR-excitation. LSPR-excitationen leder till bildandet av varmladdningsbärare (heta elektroner och hål) och lokaliseraduppvär…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Helsingfors universitet och Jane och Aatos Erkko-stiftelsen. S.H. tackar Erasmus+ EU-medel för stipendiet.
Materials
| 2-Propanol (anhydrous, 99.5%) | Sigma-Aldrich | 278475 | CAS Number 67-63-0 |
| Aniline (for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.22256 | CAS Number 62-53-3 |
| Azobenzene (98%) | Sigma-Aldrich | 424633 | CAS Number 103-33-3 |
| Ethanol | Honeywell | 32221 | CAS Number 64-17-5 |
| Hydrochloric acid (37%) | VWR | PRLSMC310066 | CAS Number 7647-01-0 |
| L-Lysine (crystallized, ≥98.0% (NT)) | Sigma-Aldrich | 62840 | CAS Number 56-87-1 |
| Nitric acid (65%) | Merck | 100456 | CAS Number 7697-37-2 |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 8.06770 | CAS Number 98-95-3 |
| Potassium hydroxide | Fisher | 10448990 | CAS Number 1310-58-3 |
| Potassium tetrachloropalladate (II) (98%) | Sigma-Aldrich | 205796 | CAS Number 10025-98-6 |
| Silver nitrate (ACS reagent, ≥99.0%) | Sigma-Aldrich | 209139 | CAS Number 7761-88-8 |
| Sodium borohydride (fine granular for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.06373 | CAS Number 16940-66-2 |
| Zirconium (IV) oxide (nanopowder, <100 nm particle size (TEM)) | Sigma-Aldrich | 544760 | CAS Number 1314-23-4 |
References
- Dunn, P. J., Hii, K. K., Krische, M. J., Williams, M. T. . Sustainable Catalysis: Challenges and Pratices for the Pharmaceutical and Fine Chemical Industries. , (2013).
- Tzouras, N. V., Stamatopoulos, I. K., Papastavrou, A. T., Liori, A. A., Vougioukalakis, G. C. Sustainable metal catalysis in C-H activation. Coordination Chemistry Reviews. 343, 25 (2017).
- Polshettiwar, V., Varma, R. S. Green chemistry by nano-catalysis. Green Chemistry. 12 (5), 743 (2010).
- Rodrigues, T. S., da Silva, A. G. M., Camargo, P. H. C. Nanocatalysis by noble metal nanoparticles: controlled synthesis for the optimization and understanding of activities. Journal of Materials Chemistry A. 7 (11), 5857-5874 (2019).
- Linic, S., Christopher, P., Ingram, D. B. Plasmonic-metal nanostructures for efficient conversion of solar to chemical energy. Nature Materials. 10 (12), 911-921 (2011).
- Nam, J. M., Liz-Marzán, L., Halas, N. Chemical Nanoplasmonics: Emerging Interdisciplinary Research Field at Crossroads between Nanoscale Chemistry and Plasmonics. Accounts of Chemical Research. 52 (11), 2995-2996 (2019).
- Brongersma, M. L., Halas, N. J., Nordlander, P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechnology. 10 (1), 25-34 (2015).
- Smith, J. G., Faucheaux, J. A., Jain, P. K. Plasmon resonances for solar energy harvesting: A mechanistic outlook. Nano Today. 10 (1), 67-80 (2015).
- Hartland, G. V. Optical studies of dynamics in noble metal nanostructures. Chemical Reviews. 111 (6), 3858-3887 (2011).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. Journal of Physical Chemistry B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Hermoso, W., et al. Triangular metal nanoprisms of Ag, Au, and Cu: Modeling the influence of size, composition, and excitation wavelength on the optical properties. Chemical Physics. 423, 142-150 (2013).
- Kumar, A., et al. Rational Design and Development of Lanthanide-Doped NaYF4@CdS-Au-RGO as Quaternary Plasmonic Photocatalysts for Harnessing Visible-Near-Infrared Broadband Spectrum. ACS Applied Materials and Interfaces. 10 (18), 15565-15581 (2018).
- Reddy, K. L., Kumar, S., Kumar, A., Krishnan, V. Wide spectrum photocatalytic activity in lanthanide-doped upconversion nanophosphors coated with porous TiO2 and Ag-Cu bimetallic nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 367, 694-705 (2019).
- Ingram, D. B., Linic, S. Water splitting on composite plasmonic-metal/semiconductor photoelectrodes: Evidence for selective plasmon-induced formation of charge carriers near the semiconductor surface. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5202-5205 (2011).
- Linic, S., Aslam, U., Boerigter, C., Morabito, M. Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles. Nature Materials. 14 (6), 567-576 (2015).
- Aslam, U., Rao, V. G., Chavez, S., Linic, S. Catalytic conversion of solar to chemical energy on plasmonic metal nanostructures. Nature Catalyst. 1, 656-665 (2018).
- Araujo, T. P., Quiroz, J., Barbosa, E. C. M., Camargo, P. H. C. Understanding plasmonic catalysis with controlled nanomaterials based on catalytic and plasmonic metals. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 39, 110-122 (2019).
- Gellé, A., et al. Applications of plasmon-enhanced nanocatalysis to organic transformations. Chemical Reviews. , 986-1041 (2020).
- Shaik, F., Peer, I., Jain, P. K., Amirav, L. Plasmon-Enhanced Multicarrier Photocatalysis. Nano Letters. 18 (7), 4370-4376 (2018).
- Quiroz, J., et al. Controlling Reaction Selectivity over Hybrid Plasmonic Nanocatalysts. Nano Letters. 18, 7289-7297 (2018).
- Peiris, E., et al. Plasmonic Switching of the Reaction Pathway: Visible-Light Irradiation Varies the Reactant Concentration at the Solid-Solution Interface of a Gold-Cobalt Catalyst. Angewandte Chemie – International Edition. 58 (35), 12032-12036 (2019).
- Yu, S., Wilson, A. J., Heo, J., Jain, P. K. Plasmonic Control of Multi-Electron Transfer and C-C Coupling in Visible-Light-Driven CO2 Reduction on Au Nanoparticles. Nano Letters. 18 (4), 2189-2194 (2018).
- Yu, S., Jain, P. K. Plasmonic photosynthesis of C 1 -C 3 hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid. Nature Communications. 10, 2022 (2019).
- Zhang, X., et al. Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation. Nature Communications. 8, 1-9 (2017).
- Cortés, E. Efficiency and Bond Selectivity in Plasmon-Induced Photochemistry. Advanced Optical Materials. 5 (15), 1700191 (2017).
- de Freitas, I. C., et al. Design-controlled synthesis of IrO 2 sub-monolayers on Au nanoflowers: marrying plasmonic and electrocatalytic properties. Nanoscale. , 23-27 (2020).
- Zhang, C., et al. Al-Pd Nanodisk Heterodimers as Antenna-Reactor Photocatalysts. Nano Letters. 16 (10), 6677-6682 (2016).
- Zhou, L., et al. Light-driven methane dry reforming with single atomic site antenna-reactor plasmonic photocatalysts. Nature Energy. 5, 61-70 (2020).
- Swearer, D. F., et al. Heterometallic antenna-reactor complexes for photocatalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (32), 8916-8920 (2016).
- Peiris, S., Sarina, S., Han, C., Xiao, Q., Zhu, H. -. Y. Silver and palladium alloy nanoparticle catalysts: reductive coupling of nitrobenzene through light irradiation. Dalton Transactions. 46 (32), 10665-10672 (2017).
- Rahm, J. M., et al. A Library of Late Transition Metal Alloy Dielectric Functions for Nanophotonic Applications. Advanced Functional Materials. 2002122, 02122 (2020).
- Zhang, C., Chen, B. Q., Li, Z. Y., Xia, Y., Chen, Y. G. Surface Plasmon Resonance in Bimetallic Core-Shell Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 119 (29), 16836-16845 (2015).
- Liu, Z., Huang, Y., Xiao, Q., Zhu, H. Selective reduction of nitroaromatics to azoxy compounds on supported Ag-Cu alloy nanoparticles through visible light irradiation. Green Chemistry. 18 (3), 817-825 (2016).
- Chaiseeda, K., Nishimura, S., Ebitani, K. Gold nanoparticles supported on alumina as a catalyst for surface plasmon-enhanced selective reductions of nitrobenzene. ACS Omega. 2 (10), 7066-7070 (2017).
- Peiris, S., et al. Metal nanoparticle photocatalysts: emerging processes for green organic synthesis. Catalysis Science and Technology. 6 (2), 320-338 (2016).
- García-García, I., et al. Silver-Based Plasmonic Catalysts for Carbon Dioxide Reduction. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (4), 1879-1887 (2020).
- Agrawal, A., Johns, R. W., Milliron, D. J. Control of Localized Surface Plasmon Resonances in Metal Oxide Nanocrystals. Annual Review of Materials Research. 47 (1), 1-31 (2017).
- Lounis, S. D., Runnerstrom, E. L., Llordés, A., Milliron, D. J. Defect chemistry and Plasmon physics of colloidal metal oxide Nanocrystals. Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (9), 1564-1574 (2014).
- Rej, S., et al. Determining Plasmonic Hot Electrons and Photothermal Effects during H2 Evolution with TiN-Pt Nanohybrids. ACS Catalysis. 10 (9), 5261-5271 (2020).
- Barragan, A. A., et al. Photochemistry of Plasmonic Titanium Nitride Nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (35), 21796-21804 (2019).
