مقالة منهجية

التوليف والأداء التحفيزي من الذهب مقحم في جدران Mesoporous السيليكا

DOI:

10.3791/52349

⸱

يوليو 9, 2015

 ,  , 
1Department of Chemistry and Geochemistry, Colorado School of Mines

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم بروتوكولا بعملية سول هلام لتصنيع الذهب المدمج في جدران المواد المسامية (GMS) ، والذي تم التأكيد على امتلاكه لمصفوفة مسامية مع الذهب المتقاطع في الجدران مما يضفي استقرارا كبيرا وقابلية لإعادة التدوير.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باعتبارها واعدة مفاعل نانو ناشطة تحفيزيا، النانوية الذهب مقحم في السيليكا mesoporous (GMS) تم تصنيعه بنجاح وتم التحقيق خصائص المواد. استخدمنا نهج سول-جل وعاء واحد ليقحم جزيئات نانو الذهب في جدران السيليكا mesoporous. لنبدأ مع التوليف، وكان يستخدم P123 كقالب لتشكيل المذيلات. ثم تم استخدام TESPTS كعامل تعديل السطح ليقحم جسيمات نانو الذهب. وبعد هذه العملية، وأضاف TEOS في كمصدر السيليكا الذي خضع لعملية البلمرة في البيئة الحامضية. بعد المعالجة الحرارية المائية والتكليس، تم الحصول على المنتج النهائي. وقد استخدمت العديد من التقنيات لتوصيف المسامية، مورفولوجيا وهيكل الذهب السيليكا mesoporous مقحم. أظهرت النتائج وجود بنية مستقرة من السيليكا mesoporous بعد إقحام الذهب. من خلال أكسدة البنزيل الكحول كرد فعل القياسي، أظهرت المواد GMS SELEC عاليةالناقلية وإعادة التدوير.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

باعتبارها تقنية واعدة لديها إمكانات كبيرة في تطبيقات الحفز، وتلقى المواد النانوية مصلحة الأبحاث المكثفة في العقود الماضية. من بين المحفزات النانوية ذكرت، وقد اجتذبت المحفزات المعادن النبيلة مثل الاتحاد الافريقي، حج، PD وحزب العمال اهتمام العالم بأسره 1-3. وتشمل تحديد ردود فعل الحفاز أكسدة الباحثين غاز أول أكسيد الكربون في الاتحاد الافريقي، هيك رد فعل على المحفزات بالشلل الرعاش، وتقسيم المياه مع حزب العمال. وعلى الرغم من إمكانية الحفازة واعدة، والذهب النانومترية الحجم محدودة في تطبيقه بسبب التعطيل من التسمم، وفحم الكوك، وتدهور الحرارية، وتلبد. وقد أفيد أن الذهب، باعتباره ممثلا للمعادن نبيلة، لديها انتقائية عالية وأقل عرضة للتسرب المعادن، والإفراط في أكسدة، وتقرير المصير، تسمم 4. ومع ذلك، فإن الأداء التحفيزي من الذهب تعتمد بقوة على حجم الجسيمات. Haruta وآخرون. وذكرت والعلاقة بين الأداء التحفيزي والذهابقطر العنقودية دينار، مما يدل على أعلى نشاط المواد الحفازة الذهب مع حجم الجسيمات ~ 2،7 نانومتر 5.

حجم الجسيمات من المعادن النبيلة يمكن أن يسيطر عليها طريقة التحضير 6-9. ومع ذلك، فإن عقبة رئيسية نحو تطبيق واسع النطاق لا يزال التجميع وفقدان النشاط. لحل مشكلة تلبد، وهي طريقة شائعة للشل حركة الجسيمات النانوية على الدعم المادي. وقد تم تطبيق مواد الدعم المختلفة بما في ذلك السيليكا التي يسهل اختراقها 10-11، أكاسيد المعادن شبه الموصلة 12-13، والبوليمرات 14، 15 الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية 16. من بين المواد المستخدمة، والسليكا التي يسهل اختراقها هو مادة جذابة كدعم لأنها ليست سوى الحمضية أقل ما يقال، خاملة نسبيا، حراريا وكيميائيا مستقرة، ويمكن أن تكون على استعداد مع محددة جيدا جدا meso- / الدقيقة المسامية. يوفر بنية مسامية دعما جيدا للجسيمات المعادن ولكن أيضا يضفي صول حجم الركيزة انتقائية لالمحفزات المعدنية. هذه الانتقائية واعدة بشكل خاص بسبب tunability المرتبطة بهذه المواد التي يسهل اختراقها. في كثير من الأحيان، تم العثور على جزيئات الذهب لتكون متنقلة للغاية على السطوح السيليكا 17-18 وبسهولة تشكيل كبيرة جدا (50+ نانومتر) الجسيمات خامل عند تعرضها لدرجات حرارة عالية، مما يجعل من الصعب للتحضير جزيئات الذهب على السيليكا 19. تم العثور على موخرجي وآخرون تجميد المبلغ عنها جزيئات الذهب monodispersed على mesoporous السيليكا MCM-41 بنسبة 3-أمينو-trimethoxysilane و3-mercaptopropyl-triethoxysilane، وجزيئات الذهب معتمدة لتكون نشطة للغاية لتفاعلات الهدرجة ووجد أي نض من الذهب في رد فعل 20.

في أعقاب تقرير تعديل سطح السيليكا mesoporous، أبلغنا طريقة لتحضير الذهب مقحم في جدار السيليكا mesoporous (GMS). بالإضافة إلى ذلك، نهج السيليكا mesoporous بدعم يقدم ا ف ب تحجيماملنهجية من المحتمل أن تكون يغير بشكل مستقل المحفز والبيئة التي يسهل اختراقها. منذ العمليات الحفزية ذات الأهمية الاقتصادية الحيوية، فإن الفوائد قد تكون بعيدة. القدرة على تطوير شأنه أن المحفزات "الخضراء" سيكون له أثر إيجابي عميق على البيئة وتحسين جدوى وكفاءة استخدام الموارد الاقتصادية للعمليات الصناعية الهامة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد GMS

  1. استخدام جميع المواد الكيميائية في العملية التالية كما وردت.
  2. إعداد 75 مل من 2 M حمض الهيدروكلوريك (حمض الهيدروكلوريك) حل. تزن 2.0 غرام من بولي (جلايكول الإثيلين)، بلوك بولي (البروبيلين غليكول)، بلوك بولي (جلايكول الإثيلين) (P123، MW = 5800) ونقل إلى إعداد 75 مل من 2 الحل M حمض الهيدروكلوريك. في RT، وتطبيق التحريك المغناطيسي إلى حل بسرعة 350 دورة / دقيقة حتى يذوب تماما P123. فإن الحل يكون واضحا.
  3. تزن 4 غرام من tetraethoxysilane (TEOS، MW = 208.33) في قارورة صغيرة، ونقل 180 ميكرولتر من مكرر [3- (triethoxysilyl) بروبيل] -tetrasulfide (TESPTS، MW = 538.94) في قارورة. يهز ببطء القارورة لخلط المواد الكيميائية اثنين. في قنينة آخر، تزن 38 ملغ من حمض chloroauric (HAuCl 4، 99.90٪)، وتذوب في 1 مل من الماء DI.
  4. زيادة درجة حرارة المحلول P123 إلى 35 درجة مئوية في حمام الزيت مع درجة الحرارة التي تسيطر عليها الحرارية.
  5. إضافة كافة خليط من TEOS وTESPTS أعدت في الخطوة 1.3 إلى حل P123، والحفاظ على الحل في التحريك المغناطيسي القوي من 700 دورة / دقيقة. يبقي الحل مع التحريك لمدة 2 دقيقة، ثم يضاف كل من HAuCl 4 الحل أعد في الخطوة 1.3 نقطه نقطه خلال 30 ثانية.
  6. الحفاظ على حل اثارة في 700 دورة / دقيقة لمدة 24 ساعة على 35 درجة مئوية.
  7. بعد 24 ساعة، ونقل الحل في زجاجة مغلقة وتخزينها في فرن وضعت في 100 درجة مئوية لمدة 72 ساعة. وهذا ما يسمى معالجة الهيدروحرارية.
  8. بعد المعالجة الحرارية المائية، تصفية حل مع ورقة الترشيح رقم 1 والضغط السلبي تحت القمع، ثم يغسل بالماء مرتين والإيثانول ثلاث مرات لإزالة ما تبقى من حمض الهيدروكلوريك. خلال كل عملية غسيل، إضافة الماء أو الإيثانول 1 سم فوق الصلبة وانتظر المواد لتجف.
  9. نقل هطول الأمطار من الترشيح لبوتقة السيراميك وكلس عند 550 درجة مئوية لمدة 4 ساعات. ضبط البرنامج منحدر على النحو التالي: 25 درجة مئوية إلى 550 درجة مئوية لمدة 2 ساعة، والحفاظ على 550 درجة مئوية لمدة 4ساعة، ثم يسمح العينة أن تظل في الفرن مع الباب مغلقة حتى تنخفض درجة الحرارة أقل من 40 درجة مئوية.
  10. بعد التكليس، ونقل المنتج إلى قارورة زجاجية مع ملعقة من البلاستيك. المواد المركبة لديها اللون الأحمر.

2. تفاعل محفز، أكسدة البنزيل الكحول

  1. منذ أكسدة البنزيل الكحول هي مرحلة رد الفعل السائل دون مذيب منفصل، قياس 5 مل من الكحول البنزيل (99.8٪) وتحويلها إلى 25 مل الرقبة ثلاثة قارورة، ثم وزن 10 ملغ من GMS حافزا وأنه إضافة إلى البنزيل الكحول.
  2. انشاء حمام الزيت التي تسيطر عليها درجة الحرارة مع التحريك المغناطيسي لضمان مراقبة دقيقة وموحدة من درجة حرارة التفاعل.
  3. وضع القارورة مع الكحول البنزيل وحافزا إلى حمام الزيت، ثم ضبط درجة الحرارة إلى 100 درجة مئوية، ويحرك في 150 دورة / دقيقة.
  4. تدفق غاز الأكسجين مع 99.9٪ النقاء في قارورة في 2 مل / دقيقة التي تسيطر عليها وحدة تحكم التدفق الجماعي.
  5. عندمادرجة حرارة حمام الزيت تصل إلى 100 درجة مئوية، وتستقر، وإدخال غاز الأكسجين في قارورة ثلاثة الرقبة.
  6. الحفاظ على معدل تدفق الأكسجين ودرجة حرارة ثابتة، والسماح للرد فعل على المضي قدما لمدة 6 ساعات.
  7. بعد رد الفعل، تصفية المنتج مع ورقة الترشيح # 1. جمع الطور السائل ونقل قسامة إلى اللوني للغاز (GC) القارورة. في قارورة GC، مزيج أربعة أجزاء HPLC الصف حامض الخليك لكل عينة جزء واحد (على سبيل المثال، استخدم 36 عينة ميكرولتر و 144 ميكرولتر حمض الخليك.) ضع القارورة على الكروماتوجرافي الغاز العينه السيارات لتحليلها. يغسل الراسب الصلب على ورقة الترشيح بالماء DI والإيثانول ثم السماح ليجف في الهواء. جمع المجففة الصلبة مع ملعقة كمحفز المعاد تدويرها.
  8. كرر الإجراء تجربة نفسه من الخطوة 2.3 خلال 2.7 مع محفز المعاد تدويره ثلاث مرات. في كل تكرار، وضبط كمية من البنزيل الكحول، لتتناسب مع نسبة موضح في الخطوة 2.2.

3. ذرسوء معاملة GMS لاختبار الثبات الحراري

  1. تزن ثلاثة أجزاء منفصلة من 300 ملغ GMS توليفها، وتخزينها في قوارير زجاجية. وتتميز هذه كما دفعة 1، 2 دفعة ودفعة 3. الحفاظ على الدفعة (1)، المجموعة الضابطة، ووضع دفعة 2 دفعة و3 في فرن للمعالجة الحرارية.
  2. برنامج الفرن على النحو التالي للمعالجة في 400 ° C: منحدر من 25 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية في 0.5 ساعة، والحفاظ على 400 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، والسماح العينة أن تبقى في الفرن مع الباب مغلقة حتى السقوط درجة الحرارة أقل من 40 درجة مئوية. وضع دفعة 2 في بوتقة وبدء تشغيل البرنامج.
  3. برنامج الفرن على النحو التالي للمعالجة في 650 ° C: منحدر من 25 درجة مئوية إلى 650 درجة مئوية في 0.75 ساعة، والحفاظ على 650 درجة مئوية لمدة 4 ساعات، والسماح العينة أن يبقى في الفرن مع الباب مغلقة حتى تنخفض درجة حرارة أقل 40 ° C. وضع دفعة 3 في بوتقة وبدء تشغيل البرنامج.

4. توصيفالمواد GMS 21،22

  1. على الصك physisorption، ديغا غرام المواد مع البرنامج التالي: 90 درجة مئوية لمدة 60 دقيقة ثم 350 درجة مئوية لمدة 480 دقيقة. تشغيل تحليل كامل الأيسوثرم على المواد degased للحصول على بيانات physisorption.
  2. تفريق عينة GMS على 200 شبكة هولي شبكة TEM الكربون ومراقبة العينة تحت المجهر الإلكتروني النافذ. تقييد التكبير تحت 44،000X لحماية المواد.
  3. تشغيل XRD مع الإشعاع النحاس Kα (λ = 1.5418 Å). مجموعة الجهد أنبوب من 45 كيلو فولت، وأنبوب تيار 40 أمبير. جمع كثافة في نطاق 2θ بين 10 ° و 90 ° مع حجم خطوة من 0.008 درجة وزمن قياس 5 ثانية في كل خطوة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد استخدم هذا الأسلوب لمقارنة مستويات التوليف الهيم في الحالات العادية (HBEC30KT) مقابل السرطان (HCC4017) خلايا الرئة الشكل 2 يوضح مستوى أعلى من التوليف الهيم في الخلايا السرطانية (HCC4017) من خلايا الرئة العادية (HBEC30KT). وقد تم قياس مستوى تخليق الهيم أيضا في الخلايا الطبيعية والسرطانية في وجود الميتوكوندريا uncoupler الكربونيل السيانيد 3-chlorophenylhydrazone (CCCP). تم علاج الخلايا مع 10 ميكرومتر CCCP لمدة 24 ساعة قبل قياس مستويات التوليف الهيم. كما هو متوقع...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ضمن بروتوكول التوليف، والانتباه إلى تركيز بالسطح، ودرجة الحموضة من الحل ورد فعل درجة الحرارة أمر بالغ الأهمية لتشكيل الناجح لGMS. الخطوات الحاسمة هي 1.2، 1.3، 1.4 و 1.6. المعلمات المذكورة أعلاه تتحكم المعلمة التعبئة حرجة ومرحلة المذيلات تشكلت من بالسطح. مرحلة ومورفولوجية مذيلة تحدد الدولة النهائية للمصفوفة السيليكا، والتي هي بمثابة إطار لGMS. المهم في عملية تشكيل أيضا هو تسلسل والوقت لإضافة محلول HAuCl. TEOS وTESPTS بمثابة وكيل مصدر السيليكا وسطح تعديل، على التوالي. إضافة المواد ا...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقر المؤلفون بمنحة المؤسسة الوطنية للعلوم CHE- 1214068 لدعم هذا المشروع البحثي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
بولي (إيثيلين جلايكول) - كتلة بولي (بروبيلين جلايكول) - بلوك بولي (إيثيلين جلايكول)ألدريتش435465-250 مل
تترايثوكسيسيلانTCI201-083-8
مكرر [3- (ثلاثي إيثوكسي سيليل) بروبيل] -رباعي كبريتيدGELESTSIB1825.0-100 جم
حمض الكلوروريكألدريتش520918-1G
كحولبنزيلسيجما ألدريتش305197-1L
فيزياء النيتروجينميكروميريتكستريستار II
حيود الأشعة السينيةفيليبسX'Pert Pro
الفحص المجهري الإلكتروني لنقلالنيتروجين فيليبسCM200
شيمادزوGC-2010

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Li, F. B., Li, X. Z. The enhancement of photodegradation efficiency using Pt-TiO2 catalyst. Chemosphere. 48 (10), 1103-1111 (2002).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Gadenne, B., Hesemann, P., Moreau, J. E. Supported ionic liquids: ordered mesoporous silicas containing covalently linked ionic species. Chemical Communications. 15, 1768-1769 (2004).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Wang, X., et al. Nanoscale gold intercalated into mesoporous silica as a highly active and robust catalyst. Nanotechnology. 23, 294010-294018 (2012).
  23. Chen, L. F., et al. Controlled synthesis of nanoscale icosahedral gold particles at room temperature. Chemcatchem. 4, 1662-1667 (2012).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة