Herstellung von silber-palladiumlegierten Nanopartikeln zur Plasmonischen Katalyse unter sichtbarer Lichtbeleuchtung

Dieses Protokoll stellt die Synthese von Silber-Palladium-legierten Nanopartikeln dar, die auf Zirkoniumdioxid basieren. Es erleichtert die Gewinnung von Energie aus der Strahlung des sichtbaren Lichts, um mehr Lichtfarbumwandlungen zu beschleunigen und zu kontrollieren. Diese Methode ermöglicht die Abstimmung von plasmonischen und katalytischen Eigenschaften einer einzelnen Partikellinie, um leichte dreiwertige Umwandlungen in katalytischen Metallen zu ermöglichen, die keine plasmonischen Eigenschaften aufweisen.

Dieses Protokoll kann Einblicke in die Nanokatalyse, die Nanopartikelsynthese und die unterstützte Katalysatorsynthese geben. Es kann angewendet werden, um molekulare Umwandlungen in Nanopartikelzusammensetzungen zu ordnen. Zur Herstellung von Silber-Palladium-Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln.

Geben Sie 50 Milliliter Silbernitrat und 9,71 Milliliter Kaliumtetrachloroplatinat in ein 250-Milliliter-Becherglas, das ein Gramm Zirkoniumdioxid enthält. Die Lösungen werden unter kräftigem Magnetrühren bei 500 Umdrehungen pro Minute bei Raumtemperatur fünf Minuten lang gemischt, bevor 10 Milliliter Lysin in das Becherglas gegeben werden. Nach 20 Minuten fügen Sie der Mischung 10 Milliliter einer frisch zubereiteten Natriumborhydridlösung tropfenweise in einer Geschwindigkeit von einem Milliliter pro Minute hinzu.

Rühren Sie die Mischung weitere 30 Minuten bei Raumtemperatur weiter und lassen Sie die Reaktion dann über Nacht abklingen. Am nächsten Morgen wird die Suspension auf mehrere Zentrifugenröhrchen aufgeteilt und die Feststoffe durch Zentrifugation von der Mischung getrennt. Entfernen Sie vorsichtig den Überstand und geben Sie 15 Milliliter entionisiertes Wasser in die Röhrchen.

Kräftig schütteln, bis der Feststoff gründlich dispergiert ist, und die Röhrchen eine Minute lang in einen Strudel legen, um das Material bei Bedarf vollständig wieder zu resuspendieren. Wiederholen Sie die Zentrifugationswäsche und -resuspension noch zweimal, wie gezeigt, mit 15 Millilitern deionisiertem Wasser für die zweite Wäsche und Ethanol für die dritte Wäsche. Nachdem Sie das Ethanol aus der letzten Wäsche entfernt haben, trocknen Sie den Feststoff 24 Stunden lang in einem 60 Grad Celsius heißen Ofen, bevor Sie die Silberzirkoniumdioxid-Zubereitung mit Standardmikroskopie-Elementar- und Spektrokopietechniken charakterisieren.

Zur Herstellung von Silber-Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln geben Sie 50 Milliliter Silbernitrat in ein 250-Milliliter-Becherglas, das ein Gramm Zirkoniumdioxidpulver enthält, unter kräftigem magnetischem Rühren bei Raumtemperatur, geben Sie 10 Milliliter Lysin in das Becherglas und rühren Sie die Mischung weitere 20 Minuten lang weiter. Am Ende der Inkubation werden der Lösung 10 Milliliter frisch zubereitetes Natriumborhydrid zugesetzt, wie während der Inkubation bei Raumtemperatur 30 Minuten lang gezeigt wird. Zur Trennung und Reinigung des Katalysators wird die Lösung auf mehrere Zentrifugenröhrchen aufgeteilt und die Feststoffe durch Zentrifugation aufgefangen.

Entfernen Sie vorsichtig die flüssige Phase und geben Sie 15 Milliliter entionisiertes Wasser in die Röhrchen, um eine kräftige Resuspension der Feststoffe zu ermöglichen. Die resultierende Lösung wird für eine weitere Wäsche mit destilliertem Wasser und eine mit Ethanol wie gezeigt zentrifugiert. Nach dem Entfernen des Ethanols wird ein Feststoff 24 Stunden lang in einen 60 Grad Celsius heißen Ofen getrieben, bevor die Silber-Zirkoniumdioxid-Nanopartikel mit einer Vielzahl von Standardmikroskopie-, Elementar- und Spektrotechniken charakterisiert werden.

Um die Leistung des plasmonischen Katalysators unter Lichtbeleuchtung zu untersuchen, geben Sie 30 mg Katalysator in einen 25-Milliliter-Rundkolben mit einem magnetischen Rührstab und fügen Sie fünf Milliliter eines Nitrobenzols von 0,03 mol pro Liter in Isopropylalkohollösung hinzu. 11,22 mg Kaliumhydroxidpulver werden in den Kolben gegeben und diese Suspension eine Minute lang mit einem Argonstrom sprudeln lassen, um den Reaktor zu spülen. Stellen Sie den verschlossenen Kolben unmittelbar nach dem Spülen in ein 70 Grad Celsius heißes Ölbad über einem temperaturgesteuerten Magnetrührer bei 500 Umdrehungen pro Minute.

Verwenden Sie vier LED-Lampen mit einer Wellenlänge von 427 Nanometern und einer Lichtintensität von 0,5 Watt pro Quadratzentimeter, die genau sieben Zentimeter vom Kolben entfernt platziert sind, um die Lösung zu bestrahlen. Und lassen Sie die Reaktion 2,5 Stunden lang bei 70 Grad Celsius unter kräftigem Magnetrühren ablaufen. Schalten Sie am Ende der Inkubation das Licht aus und entnehmen Sie mit einer Spritze und einer Nadel eine Milliliterprobe aus dem offenen Reaktor.

Anschließend wird die Probe durch einen 0,45-Mikron-Filter in eine Glaschromatographie abgeseiht, um die Katalysatorpartikel zu entfernen. Um die Leistung des plasmonischen Katalysators in Abwesenheit von leichterer Strahlung zu untersuchen, führen Sie die Analyse wie gerade gezeigt durch, jedoch mit dem Reaktionsbehälter, der mit Aluminiumfolie umwickelt ist, um ihn vor Licht zu schützen. Für die gaschromatographische Analyse bereiten Sie 10 Milliliter Isopropylalkohollösung vor, die etwa 30 Millimol pro Liter Nitrobenzol, 30 Millimol pro Liter Anilin und 30 Millimol pro Liter Azobenol enthält, und führen Sie eine gaschromatographische Analyse der Lösung gemäß Standardprotokollen durch.

Das gewählte Verfahren sollte in der Lage sein, die Peaks, die Isopropylalkohol, Nitrobenzol, Anilin und Azobenol entsprechen, in der dargestellten Mindestverweilzeit zu trennen. Sobald das Verfahren ausgewählt wurde, bereiten Sie einzelne Sätze von Lösungen von 50, 25, 10, fünf und 2,5 millimolar Nitrobenzol, Anilin oder Azobenzen in Isopropylalkohol her. Führen Sie dann eine gaschromatographische Analyse jeder der vorbereiteten Lösungen durch.

Jedes Chromatogramm sollte zwei Peaks aufweisen, wobei der höhere Peak Isopropylalkohol und der untere Peak Nitrobenzol, Anilin oder Azobenol entspricht. Notieren Sie für jedes Chromatogramm die Retentionszeit und die Peakfläche jedes Peaks. Stellen Sie dann die Konzentration im Vergleich zur Peakfläche jeder Probe dar, um die Kalibrierkurve zu verfolgen und die Konzentration jedes Lösungsmittels zu bestimmen.

Zirkoniumdioxid weist im sichtbaren Bereich keine Verbote auf und sollte daher nicht zu einer photokatalytischen Aktivität beitragen. Für die Silber-Zirkoniumdioxid-Nanopartikel kann ein Signal mit einem Zentrum von 428 Nanometern nachgewiesen werden, während die Silber-Palladium-Zirkoniumdioxid-Nanopartikel einen Peak mit einem Zentrum von 413 Nanometern aufweisen. Silber-Palladium-Nanopartikel lassen sich mit der Rasterelektronenmikroskopie nur schwer identifizieren, aber die Bildung von Nanopartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von etwa 10 Nanometern kann durch die Transmissionselektronenmikroskopie sichtbar gemacht werden.

Nach der Reaktion kann die Umwandlung und selektiv für die Bildung von Azobenzol und Anilin mittels Gaschromatographie gemessen werden. In Abwesenheit von Katalysatoren wird keine Nitrobenzolumwandlung bei Vorhandensein oder Fehlen von Lichtbeleuchtung festgestellt. Bei Silber-Zirkoniumdioxid-Nanopartikeln wird im Dunkeln keine Umwandlung festgestellt, während bei LSPR-Anregung eine Umwandlung von 36 % beobachtet wird.

Eine Selektivität von 56 % gegenüber Azobenzol wurde ebenfalls nachgewiesen, was darauf hindeutet, dass das Silber allein diese Reaktion unter LSPR-Anregung katalysieren kann. Für die biometallischen Silber-Palladium-Zirkoniumdioxid-Nanopartikel wird unter dunklen Bedingungen keine signifikante Umwandlung festgestellt. Interessanterweise beträgt die Umwandlung unter LSPR-Anregung 63% mit einer Selektivität von 73% gegenüber Azobenzol, was das Potenzial der metallischen Konfiguration zeigt, nicht nur die Umwandlung unter LSPR-Anregung zu erhöhen, sondern auch die Reaktion selektiv zu steuern.

Die Reaktion wird katalytisch durch Palladium angetrieben und zusätzlich durch Silber unter Bestrahlung mit sichtbarem Licht verstärkt. Daher sind die Steuerung der Nanopartikelsynthese und die Auswahl der Lichtwellenlängen für die Katalyse wichtig. Das katalytisch aktive Metall Palladium und das plasmonisch aktive Metall Silber können durch andere Arten möglicher Kombinationen ersetzt werden, um verschiedene Arten von organischen Reaktionen zu erreichen.